JP6125828B2 - Motion recognition device - Google Patents
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Description
本発明は、光飛行時間(Time Of Flight:TOF)方式を適用した3次元距離画像センサを有する動作認識装置に関する。 The present invention relates to a motion recognition apparatus having a three-dimensional distance image sensor to which a Time Of Flight (TOF) method is applied.
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は全て半導体装置である。 Note that in this specification, a semiconductor device refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device are all semiconductor devices.
近年、映像やディスプレイの3次元化が進んでおり、3次元情報取得技術の開発が盛んに行われている。リアルタイムで空間の3次元情報を取得できる3次元距離画像センサは、ジェスチャー認識システム、コンピュータビジョンシステムなど、様々な用途での応用が期待されている。非特許文献1には、TOF方式を適用して光源から被検出物に対して光照射を行い、距離画像情報を取得する3次元距離画像センサが掲載されている。該センサは、ステレオ方式やレーザースキャン方式等と比べて、小型で低コストのシステムが実現可能である。 In recent years, three-dimensional images and displays have progressed, and development of three-dimensional information acquisition technology has been actively conducted. A three-dimensional distance image sensor capable of acquiring spatial three-dimensional information in real time is expected to be applied in various applications such as a gesture recognition system and a computer vision system. Non-Patent Document 1 describes a three-dimensional distance image sensor that applies a TOF method to irradiate light from a light source to an object to be detected to acquire distance image information. The sensor can realize a small and low-cost system as compared with a stereo method, a laser scanning method, or the like.
また、被検出物の位置変化情報、形状変化情報等を検出し、デジタル的に動作情報を記録する動作認識技術が、スポーツ医療、映画、コンピュータアニメーション等の分野で広く用いられるようになっている。特許文献1では、ユーザーの複雑な動作を容易に検出するためのユーザーインターフェースを含む情報処理装置を提供している。 In addition, motion recognition technology that detects position change information, shape change information, and the like of an object to be detected and digitally records motion information has been widely used in fields such as sports medicine, movies, and computer animation. . In Patent Document 1, an information processing apparatus including a user interface for easily detecting a complicated operation of a user is provided.
特許文献2では、複数のカメラによる撮像により取得した複数の2次元画像から3次元距離画像情報を演算し、被検出物の動作を認識するシステムを提案している。また特許文献3では、人体から放射される赤外線を検出して人体の動作を認識する人体動作認識センサを提案している。 Patent Document 2 proposes a system for calculating the three-dimensional distance image information from a plurality of two-dimensional images acquired by imaging with a plurality of cameras and recognizing the operation of the detected object. Patent Document 3 proposes a human body motion recognition sensor that detects infrared rays emitted from the human body and recognizes the motion of the human body.
特許文献1において、ユーザーは、体の各部位にセンサ等によって構成されるマーカーを身につけている。該マーカーの時間変化(位置の時間変化、形状の時間変化等)を計測することによって、ユーザーの複雑な動作を厳密に記録している。しかしながら、身につけたセンサによって、ユーザーの動作は制限される、マーカーの着脱に多くの時間がかかるという問題がある。 In Patent Document 1, a user wears a marker composed of a sensor or the like on each part of the body. By measuring the time change of the marker (time change of position, time change of shape, etc.), the complicated operation of the user is strictly recorded. However, there is a problem that it takes a lot of time to attach and detach the marker.
また、特許文献2において、被検出物は、常に多数のカメラに晒されている。被検出物は、カメラの死角に入らないようにするために、予め指定された比較的狭い範囲内で動作を行わなければならない、また、多数のカメラやセンサが必要であるためシステム全体として高価になってしまうという問題がある。 In Patent Document 2, the detection object is always exposed to a large number of cameras. In order to prevent the detected object from entering the blind spot of the camera, the operation must be performed within a relatively narrow range specified in advance, and since a large number of cameras and sensors are required, the entire system is expensive. There is a problem of becoming.
さらに、多数のカメラによって撮像された被検出物の複数の2次元画像(カラー画像)から、該画像のズレを元に、三角測量の原理を利用して、撮像エリア内の被検出物の3次元距離画像情報を推測し、演算している。従って、演算処理に無駄な時間がかかる、被検出物以外の物体を含む画像の中から、被検出物の位置を抽出するため背景処理等を行う必要があるという問題がある。また、多数のカメラの正確な位置合わせ、カメラの自動焦点機構の搭載などを考慮すると、カメラの構造のシンプル化には大きな課題がある。 Furthermore, from a plurality of two-dimensional images (color images) of the detected object captured by a large number of cameras, based on the deviation of the image, the principle of triangulation is used to detect 3 of the detected object in the imaging area. Dimensional distance image information is estimated and calculated. Therefore, there is a problem that it is necessary to perform background processing or the like in order to extract the position of the detected object from an image including an object other than the detected object, which takes useless time for the arithmetic processing. Considering accurate alignment of a large number of cameras and mounting of an automatic focusing mechanism for the cameras, there is a big problem in simplifying the camera structure.
また、非特許文献1で提案されている方法では、2回の赤外光照射によって、異なる検出信号を取得しているが、各反射赤外光の検出を連続して行うことが困難である。すなわち、最初の撮像が終了してから、次の撮像が開始されるまでの間に時間差が生じる。このため、移動体の位置検出には不向きであるという問題がある。特に、被検出物の移動が高速の場合、位置検出精度の低下は顕著になる。 In the method proposed in Non-Patent Document 1, different detection signals are acquired by two times of infrared light irradiation, but it is difficult to detect each reflected infrared light continuously. . That is, there is a time difference between the end of the first imaging and the start of the next imaging. For this reason, there exists a problem that it is unsuitable for the position detection of a mobile body. In particular, when the object to be detected moves at a high speed, the decrease in position detection accuracy becomes significant.
また、特許文献3のように、人体から放射される赤外線を利用する場合、人体の体温変化等によって生じるノイズを無視できない。 Moreover, when using the infrared rays radiated from the human body as in Patent Document 3, noise caused by changes in the body temperature of the human body cannot be ignored.
上述した問題に鑑みて、被検出物に対して非接触で、被検出物の動作を認識できる動作認識装置を提供することを課題の一つとする。 In view of the above-described problems, an object is to provide a motion recognition device that can recognize the motion of a detected object without contact with the detected object.
また、簡易な構成を有し、被検出物の状態を選ばずに、被検出物の動作を認識できる動作認識装置を提供することを課題の一つとする。 Another object is to provide a motion recognition device that has a simple configuration and can recognize the motion of the detected object without selecting the state of the detected object.
また、高速に移動する被検出物を歪まずに撮像し、容易に被検出物の位置変化情報、形状変化情報を取得することを課題の一つとする。 Another object is to capture an object to be detected that moves at high speed without distortion, and to easily acquire position change information and shape change information of the object to be detected.
TOF方式を適用した3次元距離画像センサを動作認識装置に用いることで位置変化情報、形状変化情報の検出の簡略化を図る。 The detection of position change information and shape change information is simplified by using a three-dimensional distance image sensor to which the TOF method is applied in a motion recognition device.
また、TOF方式を適用した3次元距離画像センサを動作認識装置に用いることで、カラー画像情報を含む位置変化情報及び形状変化情報の検出の簡略化を図る。 In addition, by using a three-dimensional distance image sensor to which the TOF method is applied for the motion recognition device, it is possible to simplify detection of position change information and shape change information including color image information.
本明細書で開示する本発明の一態様は、被検出物の距離画像情報を取得し、且つ、距離画像情報から、撮像データを生成し、該撮像データを出力する撮像装置と、特定物体パターンを格納する第1の記憶部と、特定動作パターンを格納する第2の記憶部と、時間の経過と共に変化する撮像データを格納する画像記憶部と、画像記憶部に格納した撮像データの中から、被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの撮像データを抽出し、且つ、抽出した撮像データと特定物体パターンとを比較して、各時刻での最も一致する物体データを選出する物体データ検出部と、各時刻での物体データを格納する第3の記憶部と、第3の記憶部に格納した被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの物体データと、特定動作パターンとを比較して、動作データを推定する動作データ検出部と、動作データを格納する第4の記憶部と、動作データから出力データを生成し、該出力データを出力する出力制御部とを有する画像処理装置と、出力データに基づいて被検出物の動作を認識し、且つ出力データに基づいて定義された操作を実行する情報処理装置と、を有することを特徴とする動作認識装置である。 One embodiment of the present invention disclosed in this specification includes an imaging device that acquires distance image information of an object to be detected, generates imaging data from the distance image information, and outputs the imaging data; and a specific object pattern A first storage unit that stores the image, a second storage unit that stores the specific operation pattern, an image storage unit that stores imaging data that changes over time, and imaging data stored in the image storage unit Object data that extracts the imaging data from the operation start time to the operation end time of the detected object, compares the extracted imaging data with the specific object pattern, and selects the best matching object data at each time A detection unit; a third storage unit that stores object data at each time; object data from an operation start time to an operation end time of the detected object stored in the third storage unit; and a specific operation pattern. Compared to, An image processing apparatus having an operation data detecting unit that estimates operation data, a fourth storage unit that stores operation data, an output control unit that generates output data from the operation data, and outputs the output data; An information processing apparatus comprising: an information processing apparatus that recognizes an operation of an object to be detected based on data and executes an operation defined based on output data.
上記において、撮像装置は、被検出物の距離画像情報を、光源から照射された光が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光が撮像装置に到着するまでの時間を検出し、時間と光速との関係式により取得することができる。 In the above, the imaging device detects the distance image information of the detected object, and detects the time until the light irradiated from the light source reaches the detected object and the light reflected by the detected object arrives at the imaging device. It can be obtained by the relational expression between time and speed of light.
上記において、撮像装置は、被検出物の距離画像情報を、光源から、被検出物に対して、第1の照射及び第1の照射とタイミングが異なる第2の照射を同一時間行い、第1の照射による被検出物の第1の反射光、及び第2の照射による被検出物の第2の反射光を、フォトダイオードによって検出し、フォトダイオードから出力される光電流を用いて、フローティングディフュージョンノードに蓄積される電荷量を変化させる第1のトランジスタのゲート電極の電位を、第1の撮像を行うために、少なくとも第1の照射による被検出物からの第1の反射光が、フォトダイオードに照射し始める時刻より前から、第1の照射が終了する時刻より後までの間は高電位とし、該高電位期間の第1の反射光を検出することで、第1の検出信号S1を取得し、且つ第2の撮像を行うために、少なくとも第2の照射が終了する時刻より前から、第2の照射による被検出物からの第2の反射光が、フォトダイオードに照射し終わる時刻より後までの間は高電位とし、該高電位期間の第2の反射光を検出することで、第2の検出信号S2を取得し、第1の照射期間T、光速c、第1の検出信号S1、第2検出信号S2を用いて、光源から被検出物までの距離xを、数式(1)に従って算出することで取得できる。 In the above, the imaging apparatus performs distance image information of the detected object from the light source on the detected object, the first irradiation and the second irradiation having different timing from the first irradiation for the same time, and the first The first reflected light of the object to be detected by the irradiation of and the second reflected light of the object to be detected by the second irradiation are detected by the photodiode, and the floating diffusion is used by using the photocurrent output from the photodiode. In order to perform the first imaging with the potential of the gate electrode of the first transistor that changes the amount of charge accumulated in the node, at least the first reflected light from the object to be detected by the first irradiation is a photodiode. The first detection signal S1 is obtained by detecting the first reflected light in the high potential period from the time before the start of irradiation to the time until the time after the end of the first irradiation. Get In order to perform the second imaging, at least before the time when the second irradiation ends, after the time when the second reflected light from the detection object by the second irradiation finishes irradiating the photodiode. The second detection signal S2 is obtained by detecting the second reflected light in the high potential period, and the first irradiation period T, the speed of light c, and the first detection signal S1. Using the second detection signal S2, the distance x from the light source to the object to be detected can be obtained by calculating according to Equation (1).
上記において、特定物体パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。 In the above, the comparison with the specific object pattern may be performed by calculating a correlation coefficient.
上記において、特定動作パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。 In the above, the comparison with the specific operation pattern may be performed by calculating a correlation coefficient.
上記において、撮像装置は、フォトダイオードと、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、を含むフォトセンサを複数備えていてもよい。 In the above, the imaging device may include a plurality of photosensors including a photodiode, a first transistor, a second transistor, and a third transistor.
上記において、第1のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。 In the above, an oxide semiconductor material may be used for the semiconductor layer of the first transistor.
上記において、第1のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。 In the above, a silicon material may be used for the semiconductor layer of the first transistor.
また、本明細書で開示する本発明の一態様は、時間差をおかないで一の照射光により第1の撮像と第2の撮像を行うことで被検出物の距離画像情報を取得し、且つ、距離画像情報から、撮像データを生成し、該撮像データを出力する撮像装置と、特定物体パターンを格納する第1の記憶部と、特定動作パターンを格納する第2の記憶部と、時間の経過と共に変化する撮像データを格納する画像記憶部と、画像記憶部に格納した撮像データの中から、被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの撮像データを抽出し、且つ、抽出した撮像データと特定物体パターンとを比較して、各時刻での最も一致する物体データを選出する物体データ検出部と、各時刻での物体データを格納する第3の記憶部と、第3の記憶部に格納した被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの物体データと、特定動作パターンとを比較して、動作データを推定する動作データ検出部と、動作データを格納する第4の記憶部と、動作データから出力データを生成し、該出力データを出力する出力制御部とを有する画像処理装置と、出力データに基づいて被検出物の動作を認識し、且つ出力データに基づいて定義された操作を実行する情報処理装置と、を有することを特徴とする動作認識装置である。 Further, according to one embodiment of the present invention disclosed in this specification, distance image information of an object to be detected is acquired by performing first imaging and second imaging with one irradiation light without a time difference, and An imaging device that generates imaging data from the distance image information and outputs the imaging data; a first storage unit that stores a specific object pattern; a second storage unit that stores a specific operation pattern; Extracting imaging data from the operation start time to the operation end time of the detected object from the image storage unit that stores imaging data that changes over time, and the imaging data stored in the image storage unit, and the extracted imaging An object data detection unit that compares the data with a specific object pattern and selects the most consistent object data at each time; a third storage unit that stores object data at each time; and a third storage unit Of detected objects stored in The object data from the start time to the action end time is compared with the specific action pattern, the action data detecting part for estimating the action data, the fourth storage part for storing the action data, and the output data from the action data. An image processing apparatus having an output control unit that generates and outputs the output data, and an information processing apparatus that recognizes the operation of the detected object based on the output data and executes an operation defined based on the output data And a motion recognition device.
上記において、撮像装置は、被検出物の距離画像情報を、光源から照射された光が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光が撮像装置に到着するまでの時間を検出し、光照射の終了前後で、連続的に前記反射光を検出し、時間と光速との関係式により取得することができる。 In the above, the imaging device detects the distance image information of the detected object, and detects the time until the light irradiated from the light source reaches the detected object and the light reflected by the detected object arrives at the imaging device. Then, the reflected light can be detected continuously before and after the end of light irradiation, and can be obtained by the relational expression between time and speed of light.
上記において、撮像装置は、被検出物の距離画像情報を、光源から、被検出物に対して光照射を行い、隣接する第1のフォトダイオード及び第2のフォトダイオードで、被検出物の同一点からの反射光を吸収し、第1のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第1のノードに蓄積される電荷量を変化させる第1のトランジスタのゲート電極の電位を、反射光の吸収開始以前から、光照射が終了する瞬間までの間は高電位とし、該高電位期間の、第1のフォトダイオードに照射される反射光を検出することで第1の検出信号S1を取得し、第2のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第2のノードに蓄積される電荷量を変化させる第2のトランジスタのゲート電極の電位を、光照射が終了する瞬間から、反射光の吸収終了以後までの間は高電位とし、該高電位期間の、第2のフォトダイオードに照射される反射光を検出することで第2の検出信号S2を取得し、第1の検出信号S1、第2の検出信号S2、光照射期間T、光速cを用いて、光源から被検出物までの距離xを、数式(1)に従って算出することで取得できる。 In the above, the imaging apparatus irradiates the detected object with the distance image information from the light source to the detected object, and the first and second photodiodes adjacent to each other detect the same of the detected object. The reflected light from one point is absorbed, and the potential of the gate electrode of the first transistor that changes the amount of charge accumulated in the first node is changed by using the photocurrent output from the first photodiode. The first detection signal S1 is obtained by detecting the reflected light applied to the first photodiode during the high potential period from the start of absorption of light to the moment when the light irradiation ends. Then, using the photocurrent output from the second photodiode, the potential of the gate electrode of the second transistor that changes the amount of charge accumulated in the second node is reflected from the moment when the light irradiation ends. End of light absorption The second detection signal S2 is obtained by detecting the reflected light applied to the second photodiode in the high potential period until the second detection signal S2 is obtained. The distance x from the light source to the detection object can be obtained by calculating according to the equation (1) using the detection signal S2, the light irradiation period T, and the speed of light c.
上記において、特定物体パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。 In the above, the comparison with the specific object pattern may be performed by calculating a correlation coefficient.
上記において、特定動作パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。 In the above, the comparison with the specific operation pattern may be performed by calculating a correlation coefficient.
上記において、撮像装置は、フォトダイオードと、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、第3のトランジスタと、を含むフォトセンサを複数備え、隣接する第1のフォトダイオードと第2のフォトダイオードとは、被検出物の同一点からの反射光を吸収することができる。 In the above, the imaging device includes a plurality of photosensors including a photodiode, a first transistor, a second transistor, and a third transistor, and the adjacent first photodiode and second photodiode. Can absorb the reflected light from the same point of the object to be detected.
上記において、第1のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。ゲート電極が、フローティングディフュージョンノードと、電気的に接続されている第1のトランジスタに移動度の高い半導体層を用いることで、フローティングディフュージョンノードに蓄積された電荷に対する増幅度を高めることができるため、より感度の良い増幅トランジスタを構成することが可能になる。 In the above, a silicon material may be used for the semiconductor layer of the first transistor. By using a semiconductor layer having high mobility for the first transistor that is electrically connected to the floating diffusion node, the gate electrode can increase the amplification degree of the charge accumulated in the floating diffusion node. A more sensitive amplification transistor can be configured.
上記において、第2のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。ソース電極又はドレイン電極の一方が、第1のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている第2のトランジスタの半導体層にシリコン材料を用いることで、第2のトランジスタのオン電流を高くすることができる。従って、データの読み出し時間を短縮し、フォトセンサの出力を高速で制御することができる。また、移動度の高い半導体層を用いることで、出力制御線のスイッチング速度をより広範囲で制御することが可能になる。 In the above, a silicon material may be used for the semiconductor layer of the second transistor. By using a silicon material for the semiconductor layer of the second transistor in which one of the source electrode and the drain electrode is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the first transistor, the second transistor is turned on. The current can be increased. Therefore, the data reading time can be shortened and the output of the photosensor can be controlled at high speed. Further, by using a semiconductor layer with high mobility, the switching speed of the output control line can be controlled in a wider range.
上記において、第3のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。ソース電極又はドレイン電極の一方が、フローティングディフュージョンノードと電気的に接続され、ソース電極又はドレイン電極の他方が、フォトダイオードと電気的に接続されている第3のトランジスタの半導体層に酸化物半導体材料を用いることで、トランジスタのオフ電流を極めて低くすることができる。フローティングディフュージョンノードは、蓄積された電荷を、長時間保持することが可能になるため、動作認識装置に搭載される撮像装置は、光源から照射された光(照射光)が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光(反射光)が撮像装置に到着するまでの時間をより高精度に検出し、信頼性の高い撮像データを取得することが可能になる。 In the above, an oxide semiconductor material may be used for the semiconductor layer of the third transistor. One of the source electrode and the drain electrode is electrically connected to the floating diffusion node, and the other of the source electrode and the drain electrode is electrically connected to the photodiode. By using the transistor, the off-state current of the transistor can be extremely reduced. Since the floating diffusion node can hold the accumulated electric charge for a long time, the imaging device mounted on the motion recognition device receives light (irradiation light) emitted from the light source at the object to be detected. Furthermore, it is possible to detect the time until the light (reflected light) reflected by the detection object arrives at the imaging apparatus with higher accuracy, and to acquire highly reliable imaging data.
また、上記において、第1のトランジスタ、第2のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を、第3のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いることで、画素の微細化を実現しつつ、高性能且つ高速動作が可能な撮像装置を有する動作認識装置を得ることができる。 In the above, by using a silicon material as the semiconductor layer of the first transistor and the second transistor and using an oxide semiconductor material as the semiconductor layer of the third transistor, the pixel can be miniaturized. A motion recognition device having an imaging device capable of high performance and high speed operation can be obtained.
また、上記において、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ及び第3のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。被検出物が高速で移動する場合、フォトセンサに用いられる全てのトランジスタの半導体層としてシリコン材料を用いることで、よりフォトセンサを高速で動作させることが可能になる。 In the above, a silicon material may be used for the semiconductor layers of the first transistor, the second transistor, and the third transistor. When the object to be detected moves at a high speed, the photosensor can be operated at a higher speed by using a silicon material as a semiconductor layer of all transistors used in the photosensor.
また、本明細書で開示する本発明の一態様は、被検出物の2次元画像情報及び3次元距離画像情報を取得し、且つ、画像情報から、撮像データを生成し、撮像データを出力する撮像装置と、特定物体パターンを格納する第1の記憶部と、特定動作パターンを格納する第2の記憶部と、時間の経過と共に変化する撮像データを格納する画像記憶部と、画像記憶部に格納した撮像データの中から、被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの撮像データを抽出し、且つ、抽出した撮像データと特定物体パターンとを比較して、各時刻での最も一致する物体データを選出する物体データ検出部と、各時刻での物体データを格納する第3の記憶部と、第3の記憶部に格納した被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの物体データと、特定動作パターンとを比較して、動作データを推定する動作データ検出部と、動作データを格納する第4の記憶部と、動作データから出力データを生成し、出力データを出力する出力制御部と、を有する画像処理装置と、出力データに基づいて被検出物の動作を認識し、且つ出力データに基づいて定義された操作を実行する情報処理装置と、を有することを特徴とする動作認識装置である。 One embodiment of the present invention disclosed in this specification acquires two-dimensional image information and three-dimensional distance image information of a detection object, generates imaging data from the image information, and outputs the imaging data. An imaging device, a first storage unit that stores a specific object pattern, a second storage unit that stores a specific operation pattern, an image storage unit that stores imaging data that changes over time, and an image storage unit From the stored imaging data, the imaging data from the operation start time to the operation end time of the detected object is extracted, and the extracted imaging data and the specific object pattern are compared, and the best match at each time Object data detection unit for selecting object data, a third storage unit for storing object data at each time, and object data from the operation start time to the operation end time of the detected object stored in the third storage unit And specific behavior A motion data detector that compares the patterns and estimates motion data; a fourth storage that stores motion data; and an output controller that generates output data from the motion data and outputs the output data. What is claimed is: 1. An operation recognition apparatus comprising: an image processing apparatus having: an information processing apparatus that recognizes an operation of an object to be detected based on output data and executes an operation defined based on the output data .
上記において、撮像装置は、被検出物の3次元距離画像情報を、光源から照射された赤外光が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された赤外光が撮像装置に到着するまでの時間を検出し、時間と光速との関係式により取得することができる。 In the above, the imaging apparatus is configured to receive the three-dimensional distance image information of the detected object, the infrared light irradiated from the light source arrives at the detected object, and the infrared light reflected by the detected object arrives at the imaging apparatus. It is possible to detect the time until the image is obtained and obtain it by the relational expression between time and the speed of light.
上記において、撮像装置は、光源から、被検出物に対して、第1の赤外光照射及び第1の赤外光照射とタイミングが異なる第2の赤外光照射を同一時間行い、第1のフォトダイオードによって、可視光を吸収し、第1のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第1のフローティングディフュージョンノードに蓄積される電荷量を変化させる第1のトランジスタのゲート電極の電位を、少なくとも第1の赤外光照射による被検出物からの反射光が、第1のフォトダイオードに照射されるより前から、第2の赤外光照射による被検出物からの反射光が、第1のフォトダイオードに照射された後までの間は高電位とし、該高電位期間の可視光を検出することで被検出物の2次元画像情報を取得し、第2のフォトダイオードによって、第1の赤外光及び第2の赤外光を吸収し、第2のフォトダイオードから出力される光電流を用いて、第2のフローティングディフュージョンノードに蓄積される電荷量を変化させる第2のトランジスタのゲート電極の電位を、第1の赤外光照射期間と第1の赤外光反射期間が重なる間に高電位とし、該高電位期間の第1の赤外光を検出することで、第1の検出信号S1を取得し、且つ、第2の赤外光照射以後で第2の赤外光照射期間と第2の赤外光反射期間が重ならない間に高電位とし、該高電位期間の第2の赤外光を検出することで、第2の検出信号S2を取得し、第1の検出信号S1、第2の検出信号S2、第1の赤外光照射期間T、光速cを用いて、光源から被検出物までの距離xを、数式(1)に従って算出することで、被検出物の3次元距離画像情報を取得できる。 In the above, the imaging apparatus performs the first infrared light irradiation and the second infrared light irradiation, which are different in timing from the first infrared light irradiation, from the light source on the same time for the first time. The potential of the gate electrode of the first transistor that absorbs visible light and changes the amount of charge accumulated in the first floating diffusion node using the photocurrent output from the first photodiode. The reflected light from the object to be detected by the second infrared light irradiation is at least before the reflected light from the object to be detected by the first infrared light irradiation is irradiated to the first photodiode, A high potential is applied until the first photodiode is irradiated, and two-dimensional image information of the object to be detected is acquired by detecting visible light in the high potential period. 1 The gate of the second transistor that absorbs the infrared light and the second infrared light and changes the amount of charge accumulated in the second floating diffusion node by using the photocurrent output from the second photodiode. The potential of the electrode is set to a high potential while the first infrared light irradiation period and the first infrared light reflection period overlap, and the first infrared light in the high potential period is detected, whereby the first The detection signal S1 is acquired, and after the second infrared light irradiation, the second infrared light irradiation period and the second infrared light reflection period do not overlap each other, and a high potential is set. By detecting the second infrared light, the second detection signal S2 is acquired, and the first detection signal S1, the second detection signal S2, the first infrared light irradiation period T, and the speed of light c are used. By calculating the distance x from the light source to the detected object according to Equation (1), the third order of the detected object Distance image information can be acquired.
上記において、特定物体パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。 In the above, the comparison with the specific object pattern may be performed by calculating a correlation coefficient.
上記において、特定動作パターンとの比較は、相関係数の算出により行われてもよい。 In the above, the comparison with the specific operation pattern may be performed by calculating a correlation coefficient.
上記において、撮像装置は、可視光を吸収し、赤外光を透過する第1の半導体層を有する第1のフォトダイオードと、赤外光を吸収する第2の半導体層を有する第2のフォトダイオードとをそれぞれ複数備えていることが好ましい。また、第1のフォトダイオードと第2のフォトダイオードとは重畳して設けられていることが好ましい。 In the above, the imaging device absorbs visible light and transmits infrared light, and includes a first photodiode having a first semiconductor layer that absorbs infrared light and a second photo diode having a second semiconductor layer that absorbs infrared light. A plurality of diodes are preferably provided. In addition, the first photodiode and the second photodiode are preferably provided so as to overlap each other.
上記において、第1の半導体層として、非晶質シリコン又は多結晶シリコンを用いることができる。 In the above, amorphous silicon or polycrystalline silicon can be used for the first semiconductor layer.
上記において、第2の半導体層として、多結晶シリコン、微結晶シリコン、又は単結晶シリコンを用いることができる。 In the above, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, or single crystal silicon can be used for the second semiconductor layer.
上記において、第1のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。 In the above, a silicon material may be used for the semiconductor layer of the first transistor.
上記において、第2のトランジスタの半導体層として、シリコン材料を用いてもよい。 In the above, a silicon material may be used for the semiconductor layer of the second transistor.
また、上記において、第1のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。 In the above, an oxide semiconductor material may be used for the semiconductor layer of the first transistor.
また、上記において、第2のトランジスタの半導体層として、酸化物半導体材料を用いてもよい。 In the above, an oxide semiconductor material may be used for the semiconductor layer of the second transistor.
上記構成は、上記課題の少なくとも一つを解決する。 The above configuration solves at least one of the above problems.
なお、本明細書において、「物体データ」とは、色彩情報、明るさ情報を含む被検出物の形状情報、位置情報、方向情報、形態情報、種類情報、部位情報等を示すものとする。即ち2次元画像情報及び3次元距離画像情報を含めた情報を示すものとする。従って被検出物の部位とは例えば、「手及び手の色(肌色等)」、「足及び足の色(肌色等)」等を示す。 In this specification, “object data” indicates shape information, position information, direction information, form information, type information, part information, and the like of an object to be detected including color information and brightness information. That is, information including 2D image information and 3D distance image information is shown. Therefore, the part of the detected object indicates, for example, “hand and hand color (skin color, etc.)”, “foot and foot color (skin color, etc.)” and the like.
また、本明細書において、「動作データ」とは、「物体データ」の時間変化を示すものとする。被検出物の形状の時間変化情報、位置の時間変化情報、方向の時間変化情報、形態の時間変化情報等を示すものとする。 Further, in this specification, “motion data” indicates a time change of “object data”. The time change information of the shape of the detection object, the time change information of the position, the time change information of the direction, the time change information of the form, and the like are shown.
また、本明細書において、「撮像データ」とは、撮像装置によって撮像された被検出物の3次元距離画像から取得した情報を示すものとする。3次元距離画像とは、ある時刻において、撮像装置内に搭載される各画素と被検出物との距離を測定し、これらの距離情報を集めたものを意味する。 Further, in this specification, “imaging data” refers to information acquired from a three-dimensional distance image of a detection object imaged by an imaging device. The three-dimensional distance image means a collection of distance information obtained by measuring the distance between each pixel mounted in the imaging device and the object to be detected at a certain time.
本発明の一態様によれば、TOF方式を適用した3次元距離画像センサを動作認識装置に用いることで、簡易な構成で容易にカラー画像情報を含む被検出物の位置変化情報、形状変化情報等を検出することができる。また、被検出物の動作を制限することなく、且つ被検出物の状態を選ばずに、正確な動作認識を行うことができる。また、被検出物が高速に移動しても、被検出物の動作を制限することなく、且つ被検出物の状態を選ばずに、正確な動作認識を行うことができる。 According to one embodiment of the present invention, by using a three-dimensional distance image sensor to which the TOF method is applied for a motion recognition device, position change information and shape change information of an object to be detected including color image information with a simple configuration. Etc. can be detected. In addition, accurate motion recognition can be performed without restricting the operation of the detected object and without selecting the state of the detected object. Further, even if the detected object moves at high speed, accurate motion recognition can be performed without restricting the operation of the detected object and without selecting the state of the detected object.
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.
(実施の形態1)
本実施の形態では、TOF方式を適用した撮像装置を有する動作認識装置について図1及び図2を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment mode, a motion recognition device having an imaging device to which the TOF method is applied will be described with reference to FIGS.
なお、開示する発明の一態様において、動作認識はパターンマッチングに基づいて行われる。パターンマッチングに用いられる撮像データは、撮像装置から取得する。時間の経過と共に変化する被検出物の撮像データと、データベース中の様々な特定物体パターンとを比較し、最も一致する物体データを選出し(パターンマッチング)、さらに、動作開始時刻から動作終了時刻までを特定の時間間隔で区切り、各時刻において選出された物体データと、データベース中の様々な特定動作パターンとを比較し、動作データ(物体データの時間変化)を推定する手法を採用する。動作データから生成された出力データにより、動作認識装置は操作を行うことができる。なお、撮像データには、3次元距離画像情報及びカラー画像情報が含まれるため、該撮像データを用いてパターンマッチングを行うことで、動作認識装置の検出精度を向上させることが可能である。 Note that in one embodiment of the disclosed invention, motion recognition is performed based on pattern matching. Imaging data used for pattern matching is acquired from an imaging device. Compares the imaging data of the object to be detected that changes over time with various specific object patterns in the database, selects the best matching object data (pattern matching), and from the operation start time to the operation end time Is divided at specific time intervals, and the object data selected at each time is compared with various specific operation patterns in the database, and a method of estimating operation data (time change of object data) is employed. The motion recognition apparatus can perform an operation based on the output data generated from the motion data. In addition, since the imaging data includes three-dimensional distance image information and color image information, it is possible to improve the detection accuracy of the motion recognition apparatus by performing pattern matching using the imaging data.
動作認識装置は、TOF方式を適用して、撮像装置から撮像データを取得する。TOF方式とは、光源より被検出物に対して光(照射光)を照射し、被検出物で反射された光(反射光)が撮像装置に届く際、該照射光が被検出物に到着し、さらに該反射光が撮像装置に到着するまでの時間を検出して、撮像装置から被検出物までの距離を計算によって取得する方式である。光源から被検出物までの距離xは、次式x=(c×Δt)/2で表すことができる。ここで、cは光速(3×108m/s)、Δtは遅延時間である。 The motion recognition device applies the TOF method and acquires imaging data from the imaging device. The TOF method irradiates the object to be detected with light (irradiated light), and when the light reflected by the object to be detected (reflected light) reaches the imaging device, the irradiated light reaches the object to be detected. In addition, the time until the reflected light arrives at the imaging device is detected, and the distance from the imaging device to the detected object is obtained by calculation. The distance x from the light source to the object to be detected can be expressed by the following equation x = (c × Δt) / 2. Here, c is the speed of light (3 × 10 8 m / s), and Δt is the delay time.
撮像装置は、表示部内に搭載される各画素と被検出物との距離を測定することで複数の距離情報を取得する。これらの距離情報を集めることで距離画像情報を取得し、撮像データとして取得することができる。 The imaging apparatus acquires a plurality of distance information by measuring the distance between each pixel mounted in the display unit and the object to be detected. By collecting these distance information, distance image information can be acquired and acquired as imaging data.
また、撮像装置は、2次元撮像とTOF方式を適用した3次元撮像を一度に行うことが可能である。この場合、撮像装置は、可視光を吸収する第1のフォトセンサと、赤外光を吸収する第2のフォトセンサとを備え、これらのセンサは重畳されていることが好ましい。第1のフォトセンサを用いて2次元撮像を行い、第2のフォトセンサを用いて3次元撮像を行うことで、3次元距離画像情報及びカラー画像情報を同時に取得し、これらの3次元距離画像情報及びカラー画像情報を撮像データとして取得することができる。 Further, the imaging apparatus can perform two-dimensional imaging and three-dimensional imaging using the TOF method at a time. In this case, the imaging apparatus includes a first photosensor that absorbs visible light and a second photosensor that absorbs infrared light, and these sensors are preferably superimposed. By performing two-dimensional imaging using the first photosensor and performing three-dimensional imaging using the second photosensor, three-dimensional distance image information and color image information are simultaneously acquired, and these three-dimensional distance images are obtained. Information and color image information can be acquired as imaging data.
TOF方式を適用するため、動作認識装置は、被検出物に対して非接触で、ある時刻での3次元距離画像情報を取得することができる。 Since the TOF method is applied, the motion recognition apparatus can acquire the three-dimensional distance image information at a certain time without contacting the object to be detected.
また、動作認識装置は、被検出物に対して非接触で、ある時刻でのカラー画像情報を取得することができる。 In addition, the motion recognition device can acquire color image information at a certain time without contact with the object to be detected.
また、撮像装置は、簡易な構成を有するため動作認識装置の表示部内に設置することも可能である。 In addition, since the imaging device has a simple configuration, it can be installed in the display unit of the motion recognition device.
さらに、TOF方式を適用するため、熱、温度など被検出物の状態の影響を受けにくく、被検出物の状態を選ばずに動作認識を行うことができる。 Furthermore, since the TOF method is applied, it is difficult to be affected by the state of the detected object such as heat and temperature, and the operation can be recognized without selecting the state of the detected object.
なお、光源は撮像装置内に搭載されていることが好ましい。 The light source is preferably mounted in the imaging device.
図1(A)は、開示する発明の一態様における動作認識装置の全体構成を示すブロック図である。動作認識装置100は、撮像装置101、画像処理装置102、情報処理装置103を有する。撮像データ104は、撮像装置101から出力され、画像処理装置102に入力される。出力データ105は、画像処理装置102から出力され、情報処理装置103に入力される。 FIG. 1A is a block diagram illustrating an entire structure of a motion recognition device according to one embodiment of the disclosed invention. The motion recognition device 100 includes an imaging device 101, an image processing device 102, and an information processing device 103. The imaging data 104 is output from the imaging device 101 and input to the image processing device 102. The output data 105 is output from the image processing apparatus 102 and input to the information processing apparatus 103.
画像処理装置102は、画像記憶部110、第1の記憶部111、第2の記憶部112、第3の記憶部113、第4の記憶部114、物体データ検出部115、動作データ検出部116、及び出力制御部117を有する。第1の記憶部111には、特定物体パターンが格納され、第2の記憶部112には、特定動作パターンが格納されている。基準となる特定物体パターン及び特定動作パターンは予めデータベースに格納されている。 The image processing apparatus 102 includes an image storage unit 110, a first storage unit 111, a second storage unit 112, a third storage unit 113, a fourth storage unit 114, an object data detection unit 115, and an operation data detection unit 116. , And an output control unit 117. The first storage unit 111 stores a specific object pattern, and the second storage unit 112 stores a specific operation pattern. The reference specific object pattern and the specific operation pattern are stored in the database in advance.
画像記憶部110は、撮像装置101からの撮像データ104を取得し、保存する。画像記憶部110には、3次元距離画像情報の記憶部が含まれており、カラー画像情報の記憶部を含むこともできる。例えば、撮像装置101の2次元撮像によって得られる2次元情報(被検出物の明るさ、色彩等)はカラー画像情報の記憶部に格納され、3次元撮像によって得られる3次元距離画像情報(光源から被検出物までの距離)は3次元距離画像情報の記憶部に格納される。 The image storage unit 110 acquires the imaging data 104 from the imaging device 101 and stores it. The image storage unit 110 includes a storage unit for three-dimensional distance image information, and may include a storage unit for color image information. For example, two-dimensional information (brightness, color, etc. of an object to be detected) obtained by two-dimensional imaging of the imaging apparatus 101 is stored in a color image information storage unit, and three-dimensional distance image information (light source) obtained by three-dimensional imaging. To the object to be detected) is stored in the storage unit of the three-dimensional distance image information.
第1の記憶部111には、様々な特定物体パターンが予め格納されている。特定物体パターンとは、例えば、被検出物として人物の指の動きを検出する場合には、指先の形状パターンに相当する。また、被検出物として人物の手の動きを検出する場合には、各指先や手の平の形状パターンに相当する。 In the first storage unit 111, various specific object patterns are stored in advance. The specific object pattern corresponds to, for example, a fingertip shape pattern when detecting the movement of a person's finger as the object to be detected. Further, when detecting the movement of a person's hand as the object to be detected, this corresponds to the shape pattern of each fingertip or palm.
なお、特定物体パターンとしては、3次元距離画像情報の他に、カラー画像情報を含むことも可能である。カラー画像情報を含む場合、例えば、被検出物として人物の指の動きを検出する場合には、指先の形状パターンに加えて、指の色(肌色等)、爪の色(透明等)の情報等も付加される。また、被検出物として人物の手の動きを検出する場合には、各指先や手の平の形状パターンに加えて、手の平の色(肌色等)の情報等も付加される。 The specific object pattern may include color image information in addition to the three-dimensional distance image information. When color image information is included, for example, when detecting the movement of a person's finger as an object to be detected, information on finger color (skin color, etc.) and nail color (transparency, etc.) in addition to the fingertip shape pattern Etc. are also added. In addition, when detecting the movement of a person's hand as an object to be detected, information on the palm color (skin color, etc.) is added in addition to the fingertip and palm shape patterns.
第2の記憶部112には、様々な特定動作パターンが予め格納されている。特定動作パターンとは、特定の状態を示す領域の移動、若しくは変化を伴う動き、さらに一定の周期で繰り返される繰り返し性を有する動き、ストローク等を意味する。例えば、指先を上から下に移動する、手でグー、チョキ、パーという一連の動作を行う、などに相当する。 In the second storage unit 112, various specific operation patterns are stored in advance. The specific operation pattern means a movement accompanied by movement or change of a region showing a specific state, a movement having a repeatability repeated at a constant cycle, a stroke, and the like. For example, it corresponds to moving a fingertip from the top to the bottom, performing a series of actions such as goo, choki, and par with a hand.
なお、特定動作パターンには、カラー画像情報を含んでいても良い。カラー画像情報を含む場合、指先を上から下に移動する、手でグー、チョキ、パーをする、などの位置変化情報、形状変化情報に加えて、指の色(肌色等)、爪の色(透明等)の情報等も付加される。 Note that the specific operation pattern may include color image information. When color image information is included, finger color (skin color, etc.) and nail color in addition to position change information and shape change information such as moving the fingertip from top to bottom, hand-going, choking, and parsing Information such as (transparency) is also added.
撮像装置101は、被検出物を撮像し、被検出物の3次元距離画像を取得する。また、カラー画像を取得することも可能である。3次元距離画像の取得には、TOF方式に基づく距離測定方法を利用する。撮像装置101によれば、多数のカメラ等を用いることなく、簡易な構成で3次元距離画像を取得することができる。3次元距離画像及びカラー画像は、撮像データ104として撮像装置101から画像処理装置102に出力される。なお、撮像装置101は、動作認識装置100を操作するユーザーを撮像可能な位置に配置される必要がある。撮像装置101は、動作認識装置100の表示部内に設置されても良いし、動作認識装置100の外部に設置されても良い。 The imaging apparatus 101 captures an object to be detected and acquires a three-dimensional distance image of the object to be detected. It is also possible to acquire a color image. A distance measurement method based on the TOF method is used to acquire a three-dimensional distance image. According to the imaging apparatus 101, a three-dimensional distance image can be acquired with a simple configuration without using a large number of cameras or the like. The three-dimensional distance image and the color image are output as the imaging data 104 from the imaging device 101 to the image processing device 102. Note that the imaging apparatus 101 needs to be arranged at a position where the user who operates the motion recognition apparatus 100 can capture an image. The imaging device 101 may be installed in the display unit of the motion recognition device 100 or may be installed outside the motion recognition device 100.
なお、撮像データ104は時間の経過と共に変化するが、撮像装置101によれば、特定の時間間隔で各時刻の撮像データ104を取得することができる。本明細書では、時刻tnでの、撮像データ104を、撮像データ104_nと表記する。 Although the imaging data 104 changes with the passage of time, the imaging apparatus 101 can acquire the imaging data 104 at each time at specific time intervals. In this specification, the imaging data 104 at time t n is referred to as imaging data 104_n.
画像処理装置102は、撮像データ104を受け取り、情報処理装置103が適切な処理を行うために必要な出力データ105を生成する。出力データ105は、動作データから生成される。適切な処理とは、被検出物が、動作認識装置100の操作部や、動作認識装置100自体に、直接触れることなく、出力データ105に対応する操作を、動作認識装置100が行うことを意味する。 The image processing apparatus 102 receives the imaging data 104 and generates output data 105 necessary for the information processing apparatus 103 to perform appropriate processing. The output data 105 is generated from the operation data. Appropriate processing means that the motion recognition device 100 performs an operation corresponding to the output data 105 without directly touching the operation unit of the motion recognition device 100 or the motion recognition device 100 itself. To do.
なお、動作認識装置100の操作(例えば、携帯電話機の発信番号に1を入力する等)と、動作認識装置100が該操作を行うために必要とする動作データ(例えば、手のひとさし指を立てる等)との対応は予め定められている。所望の操作を行うために必要な出力データ105が、画像処理装置102から出力された場合、情報処理装置103は適切な処理を行うことが可能である。 It should be noted that the operation of the motion recognition device 100 (for example, inputting 1 as the calling number of the mobile phone) and the motion data necessary for the motion recognition device 100 to perform the operation (for example, raising the index finger of the hand) ) Is determined in advance. When the output data 105 necessary for performing a desired operation is output from the image processing apparatus 102, the information processing apparatus 103 can perform appropriate processing.
なお、本明細書における動作認識では、予め準備したデータベースを利用する。該データベースには、被検出物の特定物体パターン及び特定動作パターンの他、動作認識装置100がある操作を行うために必要とする動作データ、即ちある操作を行うためにはどの動作データを用いればよいか、等も登録されている。また、動作認識装置100により取得した様々なパターンを用いて生成したデータを、データベースに追加で登録することも可能である。 In addition, in the operation recognition in this specification, a database prepared in advance is used. In the database, in addition to the specific object pattern and the specific motion pattern of the object to be detected, the motion data necessary for performing a certain operation, that is, which motion data is used to perform a certain operation. It is also registered. In addition, data generated using various patterns acquired by the motion recognition apparatus 100 can be additionally registered in the database.
情報処理装置103は、出力データ105を受け取り、出力データ105に対応する操作が実行されるような処理を動作認識装置100に対して行う。出力データ105に対応する操作とは、被検出物の動作に対応させて、動作認識装置100を操作することを意味する。動作認識装置100は様々なアプリケーションへの応用が可能であるため、情報処理装置103は、出力データ105を利用して各々のアプリケーションに対応した処理を行う必要がある。アプリケーションに対応した処理とは例えば、動作認識装置100がガスコンロに適用された場合、指先を上から下に移動したらコンロの火がつく、指先を下から上に移動したらコンロの火が消える、等のような操作が実行されるような処理を意味する。 The information processing apparatus 103 receives the output data 105 and performs a process on the operation recognition apparatus 100 so that an operation corresponding to the output data 105 is executed. The operation corresponding to the output data 105 means that the motion recognition apparatus 100 is operated in correspondence with the motion of the detected object. Since the motion recognition apparatus 100 can be applied to various applications, the information processing apparatus 103 needs to perform processing corresponding to each application using the output data 105. For example, when the motion recognition apparatus 100 is applied to a gas stove, the process corresponding to the application will turn on the stove if the fingertip is moved from top to bottom, and the fire on the stove will disappear if the fingertip is moved from bottom to top. It means a process in which such an operation is executed.
次に画像処理装置102で行われる動作認識について詳細に説明する。図2は、開示する発明の一態様における動作認識の流れを示すフローチャートである。 Next, operation recognition performed in the image processing apparatus 102 will be described in detail. FIG. 2 is a flowchart illustrating a flow of motion recognition in one embodiment of the disclosed invention.
画像記憶部110では、ステップ301の動作が行われる。ステップ301では画像記憶部110は、時刻tn(nは自然数)での撮像データ104_nを格納する。 In the image storage unit 110, the operation of step 301 is performed. In step 301, the image storage unit 110 stores the imaging data 104_n at time t n (n is a natural number).
物体データ検出部115では、ステップ302からステップ309までの動作が行われる。まず、ステップ302では撮像データ104_nから特定物体パターンを抽出する。 The object data detection unit 115 performs operations from step 302 to step 309. First, in step 302, a specific object pattern is extracted from the imaging data 104_n.
次に、ステップ303では撮像データ104_nから抽出した特定物体パターンと、第1の記憶部111に格納されている特定物体パターンとの比較を行う。 Next, in step 303, the specific object pattern extracted from the imaging data 104_n is compared with the specific object pattern stored in the first storage unit 111.
次に、ステップ304では相関係数を算出し、データベース中の様々な特定物体パターンから、該相関係数を基準として、その特徴と最も一致する特定物体パターンを選出する。ステップ305のように、相関係数(α)が、ある値(β)以上である場合、ステップ306へと進む。ステップ306では、第1の記憶部111に格納されている様々な特定物体パターンの中に、撮像データ104_nから抽出した物体パターンと一致する特定物体パターンが存在すると見なす。また、ステップ308のように、相関係数(α)が、ある値(β)より小さい場合、ステップ309へと進む。ステップ309では、第1の記憶部111に格納されている様々な特定物体パターンの中に、撮像データ104_nから抽出した物体パターンと一致する特定物体パターンは存在しないと見なす。 Next, in step 304, a correlation coefficient is calculated, and a specific object pattern that most closely matches the feature is selected from various specific object patterns in the database on the basis of the correlation coefficient. When the correlation coefficient (α) is equal to or greater than a certain value (β) as in step 305, the process proceeds to step 306. In step 306, it is assumed that a specific object pattern that matches the object pattern extracted from the imaging data 104_n exists among the various specific object patterns stored in the first storage unit 111. If the correlation coefficient (α) is smaller than a certain value (β) as in step 308, the process proceeds to step 309. In step 309, it is assumed that there is no specific object pattern that matches the object pattern extracted from the imaging data 104_n among the various specific object patterns stored in the first storage unit 111.
ステップ306へと進んだ場合、ステップ307で物体データ検出部115は、時刻tnでの物体データ(第nのデータとも記す)を取得する。 If the process proceeds to step 306, the object data detecting section 115 in step 307 obtains the object data at the time t n (also referred to as n-th data).
第3の記憶部113では、ステップ310の動作が行われる。ステップ310では、第3の記憶部113は、時刻tnでの物体データを格納する。なお、物体データは、時間の経過と共に変化するが、その都度取得することが可能である。例えば、時刻t1では、第1の物体データを取得し、時刻t3では、第3の物体データを取得することが可能である。 In the third storage unit 113, the operation of step 310 is performed. In step 310, a third storage unit 113 stores object data at time t n. The object data changes with the passage of time, but can be acquired each time. For example, it is possible to acquire first object data at time t 1 and acquire third object data at time t 3 .
連続的に物体データを取得するため、ステップ310から再びステップ301に戻れば良い。例えば、時刻t1から時刻t10まで順次、第1の物体データから第10の物体データを取得する場合、ステップ301からステップ306までを10回繰り返せば良い。 In order to obtain object data continuously, the process may return from step 310 to step 301 again. For example, sequentially from time t 1 to time t 10, if the first object data to obtain a tenth object data may be repeated 10 times from step 301 to step 306.
動作データ検出部116では、ステップ311からステップ317までの動作が行われる。まず、ステップ311では物体データの時間変化と、第2の記憶部112に格納されている特定動作パターンとの比較を行う。 The operation data detection unit 116 performs operations from step 311 to step 317. First, in step 311, the time change of the object data is compared with the specific operation pattern stored in the second storage unit 112.
次に、ステップ312では相関係数を算出し、データベース中の様々な特定動作パターンから、該相関係数を基準として、その特徴と最も一致する特定動作パターンを選出する。ステップ313のように、相関係数(γ)が、ある値(δ)以上である場合、ステップ314へと進む。ステップ314では、第2の記憶部112に格納されている様々な特定動作パターンは、物体データの時間変化と等しいと見なす。また、ステップ316のように、相関係数(γ)が、ある値(δ)より小さい場合、ステップ317へと進む。ステップ317では、第2の記憶部112に格納されている様々な特定動作パターンは、物体データの時間変化と異なると見なす。即ち、特定動作パターンと物体データの時間変化とを照合し、特定動作パターンが行われたか行われなかったかを判定する。 Next, in step 312, a correlation coefficient is calculated, and a specific action pattern that most closely matches the feature is selected from various specific action patterns in the database with reference to the correlation coefficient. If the correlation coefficient (γ) is greater than or equal to a certain value (δ) as in step 313, the process proceeds to step 314. In step 314, the various specific operation patterns stored in the second storage unit 112 are considered to be equal to the time change of the object data. If the correlation coefficient (γ) is smaller than a certain value (δ) as in step 316, the process proceeds to step 317. In step 317, various specific operation patterns stored in the second storage unit 112 are considered to be different from the temporal change of the object data. That is, the specific operation pattern is compared with the time change of the object data to determine whether the specific operation pattern has been performed or not.
なお、相関係数の基準値δは、情報処理装置103が、その後に行う処理内容によって異なって良い。処理内容を規定する情報処理装置103には、物体データの時間変化と、相関係数の基準値δとを対応付けたテーブルを付加データとして含め、情報処理装置103を起動する際、適宜読み出すようにすると良い。 Note that the reference value δ of the correlation coefficient may differ depending on the content of processing performed by the information processing apparatus 103 thereafter. The information processing apparatus 103 that defines the processing content includes a table in which the temporal change of the object data and the reference value δ of the correlation coefficient are associated as additional data, so that the information processing apparatus 103 reads the information appropriately when the information processing apparatus 103 is started up. It is good to make it.
ステップ315では、第2の記憶部112に格納されている様々な特定動作パターンと、物体データの時間変化とが一致する場合、動作データ検出部116は、動作データを取得する。 In step 315, when the various specific motion patterns stored in the second storage unit 112 match the time change of the object data, the motion data detection unit 116 acquires motion data.
第4の記憶部114では、ステップ318の動作が行われる。ステップ318では、第4の記憶部114は、動作データを格納する。 In the fourth storage unit 114, the operation of Step 318 is performed. In step 318, the fourth storage unit 114 stores the operation data.
出力制御部117では、ステップ319の動作が行われる。ステップ319では、出力制御部117は、第4の記憶部114に格納されている動作データから、出力データ105を生成し、情報処理装置103に出力する。なお、出力制御部117は、出力データ105を生成するだけでなく、各々のアプリケーションに応じて、情報処理装置103に適切なデータを供給してもよい。 In the output control unit 117, the operation of step 319 is performed. In step 319, the output control unit 117 generates output data 105 from the operation data stored in the fourth storage unit 114 and outputs the output data 105 to the information processing apparatus 103. The output control unit 117 may not only generate the output data 105 but also supply appropriate data to the information processing apparatus 103 according to each application.
上記構成を用いた動作認識装置100によれば、動作を行う被検出物に対して非接触で、被検出物の動作を認識することができる。また、簡易な構成を有し、被検出物の状態を選ばずに、正確な動作認識を行うことができる。 According to the motion recognition apparatus 100 using the above configuration, the motion of the detected object can be recognized without contact with the detected object performing the motion. In addition, it has a simple configuration and can perform accurate motion recognition without selecting the state of the object to be detected.
上記構成を用いた動作認識装置100によれば、被検出物の位置変化情報、形状変化情報等に加えカラー画像情報も検出することが可能である。この場合には、さらに検出精度を向上させることが可能である。 According to the motion recognition apparatus 100 using the above configuration, it is possible to detect color image information in addition to position change information, shape change information, and the like of an object to be detected. In this case, detection accuracy can be further improved.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態2)
本実施の形態では、TOF方式を適用した撮像装置の駆動方法の一例について図3乃至図5、及び図13を用いて説明する。より具体的には、第1の照射期間及び第2の照射期間(同一の照射時間でタイミングが異なる)に対応させて、第1の撮像及び第2の撮像を行い、第1の反射による第1の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第1の検出信号を取得し、第2の反射による第2の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第2の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する撮像装置の駆動方法の一例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a method for driving an imaging device to which the TOF method is applied is described with reference to FIGS. More specifically, the first imaging and the second imaging are performed in correspondence with the first irradiation period and the second irradiation period (timing is different at the same irradiation time), and the first reflection is performed. The first detection signal depending on the light delay time is obtained from the reflected light detection of one, and the second detection signal depending on the light delay time is obtained from the second reflected light detection by the second reflection. Thus, an example of a method for driving the imaging apparatus that measures the distance from the light source to the object to be detected will be described.
本実施の形態における撮像装置が有するフォトセンサは3個のトランジスタ及び1個のフォトダイオードから構成されている。図3は、撮像装置が有するフォトセンサ400の構成を示す回路図の一例である。フォトセンサ400は、フォトダイオード402、トランジスタ403、トランジスタ404、トランジスタ405を有する。 The photosensor included in the imaging device in this embodiment includes three transistors and one photodiode. FIG. 3 is an example of a circuit diagram illustrating a configuration of the photosensor 400 included in the imaging device. The photosensor 400 includes a photodiode 402, a transistor 403, a transistor 404, and a transistor 405.
信号線11は、リセット信号線(PR)である。信号線12は、電荷蓄積信号線(TX)である。信号線13は、選択信号線(SE)である。ノード14は、フローティングディフュージョン(FD)ノードである。信号線15は、フォトセンサ基準信号線である。信号線16は、フォトセンサ出力信号線である。 The signal line 11 is a reset signal line (PR). The signal line 12 is a charge accumulation signal line (TX). The signal line 13 is a selection signal line (SE). Node 14 is a floating diffusion (FD) node. The signal line 15 is a photosensor reference signal line. The signal line 16 is a photosensor output signal line.
フォトセンサ400において、フォトダイオード402の陽極は信号線11と電気的に接続され、フォトダイオード402の陰極は、トランジスタ403のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ403のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ404のゲート電極と、ノード14とは、電気的に接続されている。トランジスタ404のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線15とは、電気的に接続されている。トランジスタ405のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線16とは、電気的に接続されている。トランジスタ404のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ405のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ403のゲート電極と信号線12とは電気的に接続され、トランジスタ405のゲート電極と信号線13とは電気的に接続されている。 In the photosensor 400, the anode of the photodiode 402 is electrically connected to the signal line 11, and the cathode of the photodiode 402 is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 403. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 403, the gate electrode of the transistor 404, and the node 14 are electrically connected. One of the source electrode and the drain electrode of the transistor 404 and the signal line 15 are electrically connected. One of a source electrode or a drain electrode of the transistor 405 and the signal line 16 are electrically connected. The other of the source and drain electrodes of the transistor 404 and the other of the source and drain electrodes of the transistor 405 are electrically connected. The gate electrode of the transistor 403 and the signal line 12 are electrically connected, and the gate electrode of the transistor 405 and the signal line 13 are electrically connected.
なお、図3では、フォトダイオード402の陽極が信号線11と電気的に接続され、フォトダイオード402の陰極がトランジスタ403のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード402の陰極が信号線11と電気的に接続され、フォトダイオード402の陽極がトランジスタ403のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。 Note that FIG. 3 illustrates a structure in which the anode of the photodiode 402 is electrically connected to the signal line 11 and the cathode of the photodiode 402 is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 403. However, it is not limited to this. The cathode of the photodiode 402 may be electrically connected to the signal line 11, and the anode of the photodiode 402 may be electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 403.
フォトダイオード402は、光が照射されると電流が発生する光電変換素子である。従って、被検出物から反射された光を検出することで、当該フォトダイオード402には、光電流が流れる。 The photodiode 402 is a photoelectric conversion element that generates current when irradiated with light. Accordingly, a photocurrent flows through the photodiode 402 by detecting the light reflected from the object to be detected.
トランジスタ403は、撮像時間を制御するトランジスタとして機能する。開示する発明の一態様においては、信号線11の電位を、”L(Low)”から”H(High)”に切り替え、トランジスタ403のゲート電極の電位(信号線12の電位)を、”L”から”H”に切り替えると、ノード14に正の電荷が蓄積されていく。トランジスタ403のゲート電極の電位(信号線12の電位)を”H”に維持したまま、信号線11の電位を、”H”から”L”に切り替えると、撮像開始となり、フォトダイオード402に照射される光に応じて、ノード14に負の電荷が蓄積されていく。また、撮像終了は、トランジスタ403のゲート電極の電位(信号線12の電位)を”H”から”L”に切り替える時である。 The transistor 403 functions as a transistor that controls the imaging time. In one embodiment of the disclosed invention, the potential of the signal line 11 is switched from “L (Low)” to “H (High)”, and the potential of the gate electrode of the transistor 403 (the potential of the signal line 12) is changed to “L (Low)”. When switching from “H” to “H”, positive charges are accumulated in the node 14. When the potential of the signal line 11 is switched from “H” to “L” while the potential of the gate electrode of the transistor 403 (the potential of the signal line 12) is maintained at “H”, imaging starts and the photodiode 402 is irradiated. Negative charges are accumulated in the node 14 in accordance with the emitted light. The end of imaging is when the potential of the gate electrode of the transistor 403 (the potential of the signal line 12) is switched from “H” to “L”.
本実施の形態において、第1の撮像では、第1の照射開始と同時に第1の撮像開始とし、第1の照射終了と同時に第1の撮像終了とするように、信号線11及び信号線12の電位を制御する。また、第2の撮像では、第2の照射終了と同時に第2の撮像開始とし、第1の撮像と同時間の撮像後に第2の撮像終了とするように、信号線11及び信号線12の電位を制御する。 In the present embodiment, in the first imaging, the signal line 11 and the signal line 12 are set so that the first imaging starts at the same time as the first irradiation starts and the first imaging ends at the same time as the first irradiation ends. To control the potential. Further, in the second imaging, the second imaging starts at the same time as the second irradiation ends, and the second imaging ends after the imaging at the same time as the first imaging. Control the potential.
即ち、トランジスタ403のゲート電極の電位を、第1の照射期間と第1の反射期間が重なる間に”H”とし、第2の照射開始以後の第2の照射期間と第2の反射期間が重ならない間に”H”とし、第1の反射光検出期間及び第2の反射光検出期間に”H”とするように制御すればよい。 That is, the potential of the gate electrode of the transistor 403 is set to “H” while the first irradiation period and the first reflection period overlap, and the second irradiation period and the second reflection period after the start of the second irradiation are set. Control may be performed such that “H” is set while they do not overlap and “H” is set in the first reflected light detection period and the second reflected light detection period.
トランジスタ404は、ノード14に蓄積された電荷を増幅するトランジスタとして機能する。トランジスタ405は、フォトセンサの出力を制御するトランジスタとして機能する。トランジスタ405のゲート電極に入力される信号(信号線13の電位)が”L”から”H”に切り替わる時、信号が読み出される。 The transistor 404 functions as a transistor that amplifies the charge accumulated in the node 14. The transistor 405 functions as a transistor that controls the output of the photosensor. When the signal (the potential of the signal line 13) input to the gate electrode of the transistor 405 is switched from “L” to “H”, the signal is read out.
上述のように、フォトセンサ400は、フォトダイオード1個とトランジスタ3個という4素子で構成される。フォトセンサを少ない素子数で構成することが可能であるため、フォトセンサを高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。 As described above, the photosensor 400 includes four elements, that is, one photodiode and three transistors. Since the photosensor can be configured with a small number of elements, it is easy to integrate the photosensors with high density and achieve miniaturization of pixels.
なお、トランジスタ403に用いる半導体層としては、酸化物半導体層を用いることが好ましい。フォトダイオード402に光が照射されることにより生成された電荷を、長時間保持するためには、フォトダイオードと電気的に接続されるトランジスタ403を、オフ電流が極めて低いトランジスタで構成する必要がある。酸化物半導体材料を用いたトランジスタはオフ電流が極めて低い。そのため、半導体層として酸化物半導体材料を用いることでフォトセンサ400の性能を高めることができる。 Note that as the semiconductor layer used for the transistor 403, an oxide semiconductor layer is preferably used. In order to hold the charge generated by irradiating the photodiode 402 with light for a long time, the transistor 403 electrically connected to the photodiode needs to be formed using a transistor with extremely low off-state current. . A transistor including an oxide semiconductor material has extremely low off-state current. Therefore, the performance of the photosensor 400 can be improved by using an oxide semiconductor material for the semiconductor layer.
また、ノード14から、フォトダイオード402に漏れる電荷の流れを抑えることが可能になる。特に、第1の撮像から第2の撮像までの間に生じる時間差が大きい場合、即ちノード14に電荷が蓄積させるために長時間を要する場合には、漏れ電荷の影響が大きくなるため、酸化物半導体材料を用いることが特に好ましい。半導体層として酸化物半導体材料を用いて、光源から照射された光(照射光)が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光(反射光)が撮像装置に到着するまでの時間をより高精度に検出し、信頼性の高い撮像データを取得することで、フォトセンサ400全体の性能を高めることも可能になる。 In addition, it is possible to suppress the flow of charge that leaks from the node 14 to the photodiode 402. In particular, when the time difference generated between the first imaging and the second imaging is large, that is, when it takes a long time to accumulate the charge in the node 14, the influence of the leakage charge becomes large. It is particularly preferable to use a semiconductor material. Using an oxide semiconductor material as a semiconductor layer, light irradiated from a light source (irradiated light) arrives at the object to be detected, and further, light reflected by the object to be detected (reflected light) arrives at the imaging device. It is also possible to improve the performance of the entire photosensor 400 by detecting time with higher accuracy and acquiring highly reliable imaging data.
また、フォトダイオード402に光が照射されることにより生成された電荷をノード14に短時間で蓄積することを重視する場合には、トランジスタ403に用いられる半導体層としてアモルファスシリコンや微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることもできる。これらの材料を用いることで、移動度の高いトランジスタを構成することが可能になるため、ノード14に短時間で電荷を蓄積することができる。 Further, in the case where it is important to store charges generated by irradiating the photodiode 402 with light in the node 14 in a short time, amorphous silicon, microcrystalline silicon, multi-layer silicon, or the like is used as a semiconductor layer used in the transistor 403. Materials such as crystalline silicon and single crystal silicon can also be used. By using these materials, a transistor with high mobility can be formed, so that charges can be accumulated in the node 14 in a short time.
トランジスタ404に用いる半導体層としては、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることが好ましい。移動度の高い半導体層を用いることで、ノード14に蓄積された電荷に対する増幅度を高めることができるため、より感度の良い増幅トランジスタを構成することが可能になる。 As the semiconductor layer used for the transistor 404, a material such as polycrystalline silicon or single crystal silicon is preferably used. By using a semiconductor layer with high mobility, the amplification degree with respect to the charge accumulated in the node 14 can be increased, so that an amplification transistor with higher sensitivity can be configured.
トランジスタ405に用いる半導体層としては、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることが好ましい。これらの材料を用いることで、トランジスタ405のオン電流を高くすることができる。従って、データの読み出し時間を短縮し、フォトセンサの出力を高速で制御することができる。また、移動度の高い半導体層を用いることで、信号線16のスイッチング速度をより広範囲で制御することが可能になる。電位変化の速度の自由度を高めて速度差を明確に抽出することで、より正確なデータの取得が可能になる。 As a semiconductor layer used for the transistor 405, a material such as polycrystalline silicon or single crystal silicon is preferably used. By using these materials, the on-state current of the transistor 405 can be increased. Therefore, the data reading time can be shortened and the output of the photosensor can be controlled at high speed. Further, by using a semiconductor layer having high mobility, the switching speed of the signal line 16 can be controlled in a wider range. By increasing the degree of freedom of the speed of potential change and clearly extracting the speed difference, more accurate data can be acquired.
フォトセンサ400を有する撮像装置の駆動方法の一例について説明する。当該駆動方法を用いることで、TOF方式を適用した3次元撮像により、3次元距離画像を測定することが可能である。 An example of a method for driving an imaging device including the photosensor 400 will be described. By using this driving method, it is possible to measure a three-dimensional distance image by three-dimensional imaging using the TOF method.
具体的な駆動方法について、図4及び図5に示すタイミングチャートを用いながら説明する。まず、図4では、フォトセンサ400の動作について説明する。次に、図5では、駆動方法の特徴及びTOF方式を適用した3次元撮像による3次元距離画像測定方法について説明する。 A specific driving method will be described with reference to timing charts shown in FIGS. First, the operation of the photosensor 400 will be described with reference to FIG. Next, with reference to FIG. 5, the characteristics of the driving method and a three-dimensional distance image measurement method by three-dimensional imaging using the TOF method will be described.
なお、図4及び図5に示すタイミングチャートにおいて、パルス501及びパルス502では、”照射”を”H”で、”非照射”を”L”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”H”で、電位の低い状態を、”L”で表すものとする。 In the timing charts shown in FIGS. 4 and 5, “irradiation” is represented by “H” and “non-irradiation” is represented by “L” in the pulses 501 and 502, and the potential is high in other pulses. The state is represented by “H”, and the low potential state is represented by “L”.
図4は、フォトセンサ400のタイミングチャートである。時刻T1〜時刻T15までの間に、光源から被検出物に対して2回の照射(第1の照射及び第2の照射)を行う。なお、第2の照射は、第1の照射とタイミングが異なり、且つ同一時間行われるものとする。また、第1の照射及び第2の照射において、光源と被検出物との距離が変わらないものとし、時刻T2〜時刻T3までの時間(遅延時間)及び時刻T8〜時刻T9までの時間(遅延時間)が等しいことは自明である。 FIG. 4 is a timing chart of the photosensor 400. Between time T1 and time T15, irradiation (first irradiation and second irradiation) is performed twice from the light source to the detected object. Note that the second irradiation is different in timing from the first irradiation and is performed for the same time. In the first irradiation and the second irradiation, the distance between the light source and the object to be detected is not changed, and the time from time T2 to time T3 (delay time) and the time from time T8 to time T9 (delay) It is obvious that time is equal.
時刻T1において、信号線11を”H”とする。さらに、信号線12を”H”とする(第1のリセット)。この時、フォトダイオード402及びトランジスタ403が導通し、ノード14が”H”となる。 At time T1, the signal line 11 is set to “H”. Further, the signal line 12 is set to “H” (first reset). At this time, the photodiode 402 and the transistor 403 are turned on, and the node 14 becomes “H”.
時刻T2において、光源から被検出物に対して第1の光の照射を開始する。パルス501では、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を第1の照射開始時刻とする。また、信号線11を”L”とし、信号線12を”H”のまま維持する(第1の撮像開始)。なお、この第1の撮像開始時刻は、第1の照射開始時刻と一致する。 At time T2, irradiation of the first light from the light source to the object to be detected is started. The pulse 501 changes from “L” (non-irradiation) to “H” (irradiation). Let this time be the first irradiation start time. Further, the signal line 11 is set to “L”, and the signal line 12 is maintained at “H” (first imaging starts). Note that the first imaging start time coincides with the first irradiation start time.
時刻T3において、光源から発せされた第1の照射光が被検出物で反射し、第1の反射光が撮像装置に入射し始める。パルス502では、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を第1の反射開始時刻とする。 At time T3, the first irradiation light emitted from the light source is reflected by the detection object, and the first reflected light starts to enter the imaging apparatus. The pulse 502 changes from “L” (non-irradiation) to “H” (irradiation). Let this time be the first reflection start time.
また、時刻T3は、第1の反射光検出開始時刻でもある。時刻T3で反射光の検出を開始することができる。 Time T3 is also the first reflected light detection start time. Detection of reflected light can be started at time T3.
時刻T3〜時刻T4の間(第1の反射光検出、所謂正味の第1の撮像)に、第1の反射光の強度に応じてノード14の電位は変化する。フォトダイオード402のオフ電流に起因して、ノード14の電位が”H”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード402に照射される光(反射光)の強度及び照射時間に比例する。 Between time T3 and time T4 (first reflected light detection, so-called net first imaging), the potential of the node 14 changes according to the intensity of the first reflected light. Due to the off-state current of the photodiode 402, the potential of the node 14 starts to be lower than “H”. The off-current is proportional to the intensity of light (reflected light) irradiated on the photodiode 402 and the irradiation time.
ここで、ノード14の電位変化と、フォトダイオード402に照射される光(反射光)の強度及び照射時間との関係について説明する。同一検出期間であれば、反射光強度が大きいほど、ノード14の電位変化は大きくなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、ノード14の電位変化は大きくなる。従って、反射光強度が大きく、反射光検出期間が長いほど、フォトダイオード402のオフ電流は増大し、ノード14の電位変化も大きくなる。 Here, the relationship between the potential change of the node 14, the intensity of light (reflected light) irradiated on the photodiode 402, and the irradiation time will be described. In the same detection period, the greater the reflected light intensity, the greater the potential change at the node 14. For the same intensity, the longer the reflected light detection period, the greater the potential change at the node 14. Therefore, the greater the reflected light intensity and the longer the reflected light detection period, the greater the off-current of the photodiode 402 and the greater the potential change at the node 14.
時刻T4において、光源から被検出物に対する第1の光の照射を終了する。パルス501では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を第1の照射終了時刻とする。また、信号線12を”L”とする。この時、第1の撮像が終了する。なお、この第1の撮像終了時刻は、第1の照射終了時刻と一致する。また、時刻T4は、第1の反射光検出終了時刻でもある。 At time T4, the irradiation of the first light from the light source to the detected object is terminated. The pulse 501 changes from “H” (irradiation) to “L” (non-irradiation). This time is set as the first irradiation end time. The signal line 12 is set to “L”. At this time, the first imaging is finished. Note that the first imaging end time coincides with the first irradiation end time. Time T4 is also the first reflected light detection end time.
このように、第1の照射開始と同時に第1の撮像を開始し、且つ第1の照射終了と同時に第1の撮像を終了するように、信号線11及び信号線12の電位を制御する。 As described above, the potentials of the signal line 11 and the signal line 12 are controlled so that the first imaging is started simultaneously with the start of the first irradiation and the first imaging is ended simultaneously with the end of the first irradiation.
なお、ノード14の電位は、時刻T4以後は一定となる。時刻T4でのノード14の電位(V1)は、第1の反射光検出の間にフォトダイオード402が生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。 Note that the potential of the node 14 is constant after the time T4. The potential (V1) of the node 14 at time T4 depends on the photocurrent generated by the photodiode 402 during the first reflected light detection. That is, it is determined according to the reflected light intensity or the like.
また、時刻T4でのノード14の電位(V1)に応じて、第1の検出信号が決定する。第1の反射光検出期間が長いほど、ノード14の電位変化は大きいため、時刻T4でのノード14の電位(V1)は小さくなる。 Further, the first detection signal is determined in accordance with the potential (V1) of the node 14 at the time T4. As the first reflected light detection period is longer, the potential change of the node 14 is larger, so the potential (V1) of the node 14 at time T4 is smaller.
なお、時刻T1〜時刻T4の間に、フォトダイオード402に照射される光とは、全て第1の反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。 Note that light irradiated to the photodiode 402 between time T1 and time T4 indicates all first reflected light. That is, it refers to light that is irradiated from the light source to the detected object and reflected from the detected object.
時刻T5において、被検出物で反射した第1の反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス502では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を第1の反射終了時刻とする。 At time T5, the first reflected light reflected by the object to be detected is incident on the imaging device. In the pulse 502, “H” (irradiation) changes to “L” (non-irradiation). This time is set as the first reflection end time.
なお、信号線12を”L”とする際、信号線12とノード14との間における寄生容量により、ノード14の電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第1の撮像において、フォトダイオード402で、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、トランジスタ403のゲート電極−ソース電極間容量、又はトランジスタ403のゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード14に保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係るフォトセンサ400では、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード14の電位変化は無視できるものとしている。 Note that when the signal line 12 is set to “L”, the potential of the node 14 changes due to the parasitic capacitance between the signal line 12 and the node 14. When the potential change is large, the photodiode 402 cannot accurately acquire the generated photocurrent in the first imaging. Therefore, in order to reduce the influence of the parasitic capacitance, measures such as reducing the capacitance between the gate electrode and the source electrode of the transistor 403 or the capacitance between the gate electrode and the drain electrode of the transistor 403, or connecting a storage capacitor to the node 14 are taken. It is valid. In the photosensor 400 according to one embodiment of the present invention, these countermeasures are taken so that a change in potential of the node 14 due to parasitic capacitance can be ignored.
時刻T6において、信号線13を”H”とする(第1の読み出し開始)。この時、トランジスタ405が導通する。また、信号線15及び信号線16が、トランジスタ404、トランジスタ405を介して、導通する。すると、信号線16の電位は低下していく。なお、時刻T6以前に、信号線16には、予めプリチャージ動作を施し、”H”としておく。 At time T6, the signal line 13 is set to “H” (first reading start). At this time, the transistor 405 becomes conductive. In addition, the signal line 15 and the signal line 16 are brought into conduction through the transistor 404 and the transistor 405. As a result, the potential of the signal line 16 decreases. Prior to time T6, the signal line 16 is precharged in advance and set to “H”.
信号線16にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。該読み出し回路は、図13に示す読み出し回路401のように、1個のPchトランジスタ406で構成することも可能である。信号線17は、プリチャージ信号線である。ノード18は、高電位供給線である。トランジスタ406のゲート電極は、信号線17と電気的に接続され、トランジスタ406のソース電極又はドレイン電極の一方は、信号線16と電気的に接続され、トランジスタ406のソース電極又はドレイン電極の他方は、ノード18と電気的に接続されている。 The configuration of the readout circuit that performs the precharge operation on the signal line 16 is not particularly limited. The readout circuit can also be constituted by one Pch transistor 406 as in the readout circuit 401 shown in FIG. The signal line 17 is a precharge signal line. The node 18 is a high potential supply line. A gate electrode of the transistor 406 is electrically connected to the signal line 17, one of a source electrode or a drain electrode of the transistor 406 is electrically connected to the signal line 16, and the other of the source electrode or the drain electrode of the transistor 406 is Are electrically connected to the node 18.
時刻T7において、信号線13を”L”とする(第1の読み出し終了)。すると、トランジスタ405が遮断され、信号線16の電位は、一定となる。時刻T7での信号線16の電位(VS1)は、時刻T6〜時刻T7での、信号線16の電位変化の速度に依存する。 At time T7, the signal line 13 is set to “L” (end of the first reading). Then, the transistor 405 is cut off, and the potential of the signal line 16 becomes constant. The potential (V S1 ) of the signal line 16 at time T7 depends on the speed of change in potential of the signal line 16 from time T6 to time T7.
なお、信号線16の電位変化の速度は、トランジスタ404のソース電極−ドレイン電極間の電流に依存する。即ち第1の撮像においてフォトダイオード402に照射される光(反射光)の強度及び照射時間に依存する。同一照射時間であれば、反射光強度が大きいほど、信号線16の電位変化の速度は遅くなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、信号線16の電位変化の速度は遅くなる。信号線16の電位変化の速度が遅いほど、時刻T7での信号線16の電位(VS1)は大きくなる。 Note that the speed of the potential change of the signal line 16 depends on the current between the source electrode and the drain electrode of the transistor 404. That is, it depends on the intensity (irradiation time) of light (reflected light) irradiated to the photodiode 402 in the first imaging. For the same irradiation time, the higher the reflected light intensity, the slower the potential change speed of the signal line 16. For the same intensity, the longer the reflected light detection period, the slower the potential change speed of the signal line 16. The slower the potential change rate of the signal line 16, the greater the potential (V S1 ) of the signal line 16 at time T7.
従って、第1の反射光検出により、時刻T7における信号線16の電位(VS1)を取得することで、第1の撮像期間にフォトダイオード402に入射した光(反射光)の量(入射した光の強度の時間積)を検出し、検出信号S1を得ることができる。ここで、第1の照射における光の強度を一定とし、第1の反射光のみ入射したとすると、信号線16の電位(VS1)は、第1の反射光検出期間に概ね比例する。 Therefore, by acquiring the potential (V S1 ) of the signal line 16 at time T7 by detecting the first reflected light, the amount of light (reflected light) incident on the photodiode 402 during the first imaging period (incided) The detection signal S1 can be obtained by detecting the time product of light intensity. Here, assuming that the intensity of light in the first irradiation is constant and only the first reflected light is incident, the potential (V S1 ) of the signal line 16 is approximately proportional to the first reflected light detection period.
ノード14の電位と、信号線16の電位の関係について説明する。フォトダイオード402に照射される光(反射光)の強度が大きいと、一定期間内でのノード14の電位変化は大きくなる(時刻T4でのノード14の電位の値は低くなる)。この時、トランジスタ404のチャネル抵抗が高くなるため、信号線16の電位変化の速度は遅くなる。従って、一定期間内での信号線16の電位変化は小さくなる(時刻T7での信号線16の電位の値は高くなる)。 A relationship between the potential of the node 14 and the potential of the signal line 16 will be described. When the intensity of light (reflected light) applied to the photodiode 402 is large, the potential change of the node 14 within a certain period increases (the potential value of the node 14 at time T4 decreases). At this time, since the channel resistance of the transistor 404 is increased, the potential change speed of the signal line 16 is decreased. Therefore, the potential change of the signal line 16 within a certain period is small (the value of the potential of the signal line 16 at time T7 is high).
時刻T8において、光源から被検出物に対して第2の光の照射を開始する。パルス501は、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を第2の照射開始時刻とする。 At time T8, irradiation of the second light from the light source to the object to be detected is started. The pulse 501 changes from “L” (non-irradiation) to “H” (irradiation). This time is set as the second irradiation start time.
時刻T9において、光源から発せされた第2の照射光が被検出物で反射し、第2の反射光が撮像装置に入射し始める。パルス502は、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を第2の反射開始時刻とする。 At time T9, the second irradiation light emitted from the light source is reflected by the detection object, and the second reflected light starts to enter the imaging apparatus. The pulse 502 changes from “L” (non-irradiation) to “H” (irradiation). This time is set as the second reflection start time.
時刻T10において、信号線11を”H”とし、さらに、信号線12を”H”とする(第2のリセット)。この時、フォトダイオード402及びトランジスタ403が導通し、ノード14が”H”となる。 At time T10, the signal line 11 is set to “H”, and the signal line 12 is set to “H” (second reset). At this time, the photodiode 402 and the transistor 403 are turned on, and the node 14 becomes “H”.
時刻T11において、光源から被検出物に対する第2の光の照射を終了する。パルス501では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を第2の照射終了時刻とする。信号線11を”L”とし、信号線12を”H”のまま維持する(第2の撮像開始)。なお、この第2の撮像開始時刻は、第2の照射終了時刻と一致する。また、時刻T11は、第2の反射光検出開始時刻でもある。 At time T11, the irradiation of the second light from the light source to the detected object is terminated. The pulse 501 changes from “H” (irradiation) to “L” (non-irradiation). This time is set as the second irradiation end time. The signal line 11 is set to “L”, and the signal line 12 is maintained at “H” (second imaging starts). Note that the second imaging start time coincides with the second irradiation end time. The time T11 is also the second reflected light detection start time.
時刻T11〜時刻T12の間(第2の反射光検出、所謂正味の第2の撮像)に、第2の反射光の強度に応じて、ノード14の電位は変化する。フォトダイオード402のオフ電流に起因して、ノード14の電位が”H”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード402に照射される光(反射光)の強度及び照射時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード14の電位も変化する。 Between time T11 and time T12 (second reflected light detection, so-called net second imaging), the potential of the node 14 changes according to the intensity of the second reflected light. Due to the off-state current of the photodiode 402, the potential of the node 14 starts to be lower than “H”. The off-current is proportional to the intensity of light (reflected light) irradiated on the photodiode 402 and the irradiation time. Therefore, the potential of the node 14 also changes depending on the reflected light intensity and the reflected light detection period.
なお、本実施の形態においては、一例として、第1の反射光検出期間(時刻T3〜時刻T4)に比べて、第2の反射光検出期間(時刻T11〜時刻T12)は短い場合を示している。そのため、第1の撮像時のノード14の電位変化に比べて、第2の撮像時のノード14の電位変化は小さい。 In the present embodiment, as an example, the second reflected light detection period (time T11 to time T12) is shorter than the first reflected light detection period (time T3 to time T4). Yes. For this reason, the potential change of the node 14 during the second imaging is smaller than the potential change of the node 14 during the first imaging.
時刻T12において、被検出物で反射した第2の反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス502では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を第2の反射終了時刻とする。また、時刻T12は、第2の反射光検出終了時刻でもある。 At time T12, the second reflected light reflected by the object to be detected is incident on the imaging device. In the pulse 502, “H” (irradiation) changes to “L” (non-irradiation). This time is set as the second reflection end time. The time T12 is also the second reflected light detection end time.
なお、ノード14の電位は、時刻T12以後は一定となる。時刻T12でのノード14の電位(V2)は、第2の反射光検出の間にフォトダイオード402が、生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。 Note that the potential of the node 14 is constant after time T12. The potential (V2) of the node 14 at time T12 depends on the photocurrent generated by the photodiode 402 during the second reflected light detection. That is, it is determined according to the reflected light intensity or the like.
また、時刻T12でのノード14の電位(V2)に応じて、第2の検出信号が決定する。第2の反射光検出期間が短いほど、ノード14の電位変化は小さいため、時刻T12でのノード14の電位(V2)は大きくなる。 Further, the second detection signal is determined in accordance with the potential (V2) of the node 14 at the time T12. The shorter the second reflected light detection period, the smaller the potential change of the node 14, and thus the potential (V 2) of the node 14 at time T 12 becomes larger.
時刻T13において、信号線12を”L”とする。この時、第2の撮像が終了する。 At time T13, the signal line 12 is set to “L”. At this time, the second imaging is finished.
このように、第2の照射終了と同時に第2の撮像開始とし、第1の撮像と同時間の撮像後に第2の撮像を終了するように、信号線11及び信号線12の電位を制御する。 As described above, the potential of the signal line 11 and the signal line 12 is controlled so that the second imaging is started simultaneously with the end of the second irradiation, and the second imaging is ended after the imaging at the same time as the first imaging. .
なお、時刻T10〜時刻T13の間に、フォトダイオード402に照射される光とは、全て第2の反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物からの反射された光を指すものとする。 Note that light irradiated on the photodiode 402 between time T10 and time T13 is all pointing to second reflected light. That is, the light is irradiated from the light source to the object to be detected, and the light reflected from the object to be detected is indicated.
時刻T14において、信号線13を”H”とする(第2の読み出し開始)。この時、トランジスタ405が導通する。また、信号線15及び信号線16が、トランジスタ404、トランジスタ405を介して、導通する。すると、信号線16の電位は低下していく。なお、時刻T14以前に、信号線16には、予めプリチャージ動作を施し、”H”としておく。 At time T14, the signal line 13 is set to “H” (second read start). At this time, the transistor 405 becomes conductive. In addition, the signal line 15 and the signal line 16 are brought into conduction through the transistor 404 and the transistor 405. As a result, the potential of the signal line 16 decreases. Prior to time T14, the signal line 16 is precharged in advance and set to “H”.
時刻T15において、信号線13を”L”とする(第2の読み出し終了)。すると、トランジスタ405が遮断され、信号線16の電位は、一定となる。時刻T15での信号線16の電位(VS2)は、時刻T14〜時刻T15での、信号線16の電位変化の速度に依存する。 At time T15, the signal line 13 is set to “L” (end of second reading). Then, the transistor 405 is cut off, and the potential of the signal line 16 becomes constant. The potential (V S2 ) of the signal line 16 at time T15 depends on the speed of change in potential of the signal line 16 from time T14 to time T15.
光の強度が同一であれば、反射光検出期間が短いほど、信号線16の電位変化の速度は速くなる。信号線16の電位変化の速度が速いほど、時刻T15での信号線16の電位(VS2)は小さくなる。 If the light intensity is the same, the shorter the reflected light detection period, the faster the potential change speed of the signal line 16. The faster the potential change rate of the signal line 16, the smaller the potential (V S2 ) of the signal line 16 at time T15.
従って、第2の反射光検出により、時刻T15における信号線16の電位(VS2)を取得することで、第2の撮像期間にフォトダイオード402に入射した光(反射光)の量(入射した光の強度の時間積)を検出し、検出信号S2を得ることができる。ここで、第2の照射における光の強度を一定とし、第2の反射光のみ入射したとすると、信号線16の電位(VS2)は、第2の反射光検出期間に概ね比例する。 Therefore, by acquiring the potential (V S2 ) of the signal line 16 at time T15 by detecting the second reflected light, the amount of light (reflected light) incident on the photodiode 402 during the second imaging period (incided) The detection signal S2 can be obtained by detecting the time product of light intensity. Here, assuming that the intensity of light in the second irradiation is constant and only the second reflected light is incident, the potential (V S2 ) of the signal line 16 is approximately proportional to the second reflected light detection period.
なお、本実施の形態においては、第1の反射光検出期間(時刻T3〜時刻T4)に比べて、第2の反射光検出期間(時刻T11〜時刻T12)は短いため、時刻T15における信号線16の電位(VS2)は、時刻T7における信号線16の電位(VS1)に比べて小さい。 In the present embodiment, since the second reflected light detection period (time T11 to time T12) is shorter than the first reflected light detection period (time T3 to time T4), the signal line at time T15. 16 potential (V S2 ) is smaller than the potential (V S1 ) of the signal line 16 at time T7.
図5は、フォトセンサ400における、パルス501、パルス502、信号線12の電位である。まず、図5を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。第1の反射光検出、第2の反射光検出を行うために、信号線11及び信号線12の電位を制御し、撮像時間のタイミングを工夫する点が、開示する発明の一態様における駆動方法の主な特徴である。 FIG. 5 shows potentials of the pulse 501, the pulse 502, and the signal line 12 in the photosensor 400. First, the characteristics of the driving method will be described with reference to FIG. In order to perform the first reflected light detection and the second reflected light detection, the driving method according to one embodiment of the disclosed invention is that the potential of the signal line 11 and the signal line 12 is controlled to devise the timing of the imaging time. Is the main feature.
図5に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、蓄積動作期間、反射光検出期間のように、各期間に分けて説明する。 While comparing the pulses shown in FIG. 5, description will be made separately for each period such as an irradiation period, a reflection period, an imaging period, an accumulation operation period, and a reflected light detection period.
パルス501に示すように、時刻T2は、第1の照射開始時刻、時刻T4は、第1の照射終了時刻、時刻T2〜時刻T4は、第1の照射期間である。時刻T8は、第2の照射開始時刻、時刻T11は、第2の照射終了時刻、時刻T8〜時刻T11は、第2の照射期間である。開示する発明の一態様において、第1の照射期間及び第2の照射期間は、必ず等しくする必要がある。 As shown in the pulse 501, time T2 is the first irradiation start time, time T4 is the first irradiation end time, and time T2 to time T4 is the first irradiation period. Time T8 is the second irradiation start time, time T11 is the second irradiation end time, and time T8 to time T11 are the second irradiation period. In one embodiment of the disclosed invention, the first irradiation period and the second irradiation period are necessarily equal.
パルス502に示すように、時刻T3は、第1の反射開始時刻、時刻T5は、第1の反射終了時刻、時刻T3〜時刻T5は、第1の反射期間である。時刻T9は、第2の反射開始時刻、時刻T12は、第2の反射終了時刻、時刻T9〜時刻T12は、第2の反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。 As indicated by the pulse 502, time T3 is the first reflection start time, time T5 is the first reflection end time, and time T3 to time T5 are the first reflection period. Time T9 is the second reflection start time, time T12 is the second reflection end time, and time T9 to time T12 are the second reflection period. The reflection period is equal to the irradiation period.
即ち、第1の照射期間及び第2の照射期間は等しく、第1の反射期間及び第2の反射期間は等しい。 That is, the first irradiation period and the second irradiation period are equal, and the first reflection period and the second reflection period are equal.
信号線12の電位に示すように、時刻T1は、第1の蓄積動作開始時刻、時刻T4は、第1の蓄積動作終了時刻、時刻T1〜時刻T4は、第1の蓄積動作期間である。また、時刻T2は、第1の撮像開始時刻、時刻T4は、第1の撮像終了時刻、時刻T2〜時刻T4は、第1の撮像期間である。また、時刻T3は、第1の反射光検出開始時刻、時刻T4は、第1の反射光検出終了時刻、時刻T3〜時刻T4は、第1の反射光検出期間である。 As shown by the potential of the signal line 12, time T1 is the first accumulation operation start time, time T4 is the first accumulation operation end time, and time T1 to time T4 are the first accumulation operation period. Time T2 is the first imaging start time, time T4 is the first imaging end time, and time T2 to time T4 are the first imaging period. Time T3 is the first reflected light detection start time, time T4 is the first reflected light detection end time, and time T3 to time T4 are the first reflected light detection period.
第1の蓄積動作期間は、少なくとも第1の反射期間より前に開始されなければならない。また、第1の蓄積動作期間(第1の撮像)は、第1の照射期間終了と同時に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線11及び信号線12の電位を制御する。 The first accumulation operation period must be started at least before the first reflection period. Further, the first accumulation operation period (first imaging) must end at the same time as the end of the first irradiation period. In this way, the potentials of the signal line 11 and the signal line 12 are controlled so that the timing of the imaging period is determined.
さらに、信号線12の電位に示すように、時刻T10は、第2の蓄積動作開始時刻、時刻T13は、第2の蓄積動作終了時刻、時刻T10〜時刻T13は、第2の蓄積動作期間である。また、時刻T11は、第2の撮像開始時刻、時刻T13は、第2の撮像終了時刻、時刻T11〜時刻T13は、第2の撮像期間である。また、時刻T11は、第2の反射光検出開始時刻、時刻T12は、第2の反射光検出終了時刻、時刻T11〜時刻T12は、第2の反射光検出期間である。 Further, as shown by the potential of the signal line 12, time T10 is the second accumulation operation start time, time T13 is the second accumulation operation end time, and time T10 to time T13 are the second accumulation operation period. is there. Time T11 is the second imaging start time, time T13 is the second imaging end time, and time T11 to time T13 are the second imaging period. Time T11 is the second reflected light detection start time, time T12 is the second reflected light detection end time, and time T11 to time T12 are the second reflected light detection period.
第2の蓄積動作期間(第2の撮像)は、第2の照射期間終了と同時に開始されなければならない。また、第2の蓄積動作期間は、少なくとも第2の反射期間より後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線11及び信号線12の電位を制御する。 The second accumulation operation period (second imaging) must be started simultaneously with the end of the second irradiation period. In addition, the second accumulation operation period must end at least after the second reflection period. In this way, the potentials of the signal line 11 and the signal line 12 are controlled so that the timing of the imaging period is determined.
即ち、第1の反射期間に対応させて、第1の撮像期間を決定し、第2の反射期間に対応させて、第2の撮像期間を決定することで、反射光検出を2回に分離する。 That is, the first imaging period is determined corresponding to the first reflection period, and the second imaging period is determined corresponding to the second reflection period, so that the reflected light detection is separated twice. To do.
なお、第1の反射光検出期間は、第1の照射期間及び第1の反射期間が重なる期間に等しく、正味の第1の撮像期間となる。また、第2の反射光検出期間は、第2の照射期間後の第2の反射期間に等しく、正味の第2の撮像期間となる。そして、第1の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第1の検出信号を取得し、第2の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第2の検出信号を取得する。これより撮像装置から、被検出物までの距離を測定することができる。 The first reflected light detection period is equal to a period in which the first irradiation period and the first reflection period overlap, and is a net first imaging period. Further, the second reflected light detection period is equal to the second reflection period after the second irradiation period, and is a net second imaging period. Then, a first detection signal depending on the light delay time is obtained from the first reflected light detection, and a second detection signal depending on the light delay time is obtained from the second reflected light detection. Thus, the distance from the imaging device to the object to be detected can be measured.
次に、TOF方式を適用した3次元撮像による距離測定方法について説明する。第1の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存する第1の検出信号S1及び第2の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存した第2の検出信号S2を用いて、撮像装置から、被検出物までの距離を測定する方法について計算式を用いて示す。 Next, a distance measurement method using three-dimensional imaging using the TOF method will be described. Imaging using the first detection signal S1 that depends on the delay time of the light acquired from the first reflected light detection and the second detection signal S2 that depends on the delay time of the light acquired from the second reflected light detection A method for measuring the distance from the apparatus to the object to be detected will be described using a calculation formula.
ここで、第1の照射及び第2の照射における光の強度を一定とし、第1の撮像期間及び第2の撮像期間には、フォトダイオード402に各々第1の反射光及び第2の反射光のみ入射したとすると、信号線16の電位(VS1)は、第1の反射光検出期間に概ね比例し、信号線16の電位(VS2)は、第2の反射光検出期間に概ね比例する。 Here, the intensity of light in the first irradiation and the second irradiation is constant, and the first reflected light and the second reflected light are applied to the photodiode 402 during the first imaging period and the second imaging period, respectively. If the signal line 16 is incident only, the potential (V S1 ) of the signal line 16 is approximately proportional to the first reflected light detection period, and the potential (V S2 ) of the signal line 16 is approximately proportional to the second reflected light detection period. To do.
即ち、第1の撮像により得られる第1の検出信号S1は、第1の反射光検出期間に概ね依存し、第2の撮像により得られる第2の検出信号S2は、第2の反射光検出期間に概ね依存する。 That is, the first detection signal S1 obtained by the first imaging generally depends on the first reflected light detection period, and the second detection signal S2 obtained by the second imaging is the second reflected light detection. It largely depends on the period.
第1の検出信号S1及び第2の検出信号S2は比例定数α、照射期間T、遅延時間Δtを用いてそれぞれ数式(2)(3)で表すことができる。 The first detection signal S1 and the second detection signal S2 can be expressed by equations (2) and (3), respectively, using a proportional constant α, an irradiation period T, and a delay time Δt.
数式(2)(3)より、比例定数αを消去すると、数式(4)に示すように、遅延時間Δtが得られる。 When the proportionality constant α is eliminated from the equations (2) and (3), the delay time Δt is obtained as shown in the equation (4).
さらに、前述の、光源から被検出物までの距離xの式(x=(c×Δt)/2)と、数式(4)を利用すると、撮像装置から被検出物までの距離xは、数式(1)で表すことができる。 Furthermore, using the above-described equation (x = (c × Δt) / 2) for the distance x from the light source to the object to be detected and Equation (4), the distance x from the imaging device to the object to be detected It can be represented by (1).
これより、第1の検出信号S1及び第2の検出信号S2が得られれば、撮像装置から、被検出物までの距離xを得ることができる。 Thus, if the first detection signal S1 and the second detection signal S2 are obtained, the distance x from the imaging device to the detected object can be obtained.
また、光源から光の照射を行わない期間に、フォトセンサ400によって第3の撮像を行ってもよい。この場合、第3の撮像により第3の検出信号S3が得られる。第1の検出信号S1から第3の検出信号S3を差し引き、さらに、第2の検出信号S2から第3の検出信号S3を差し引き、これらを改めて上記、数式(1)における、検出信号S1及び検出信号S2とすることで、自然光の影響を取り除くことができる。 Alternatively, the third imaging may be performed by the photosensor 400 during a period in which light irradiation from the light source is not performed. In this case, the third detection signal S3 is obtained by the third imaging. The third detection signal S3 is subtracted from the first detection signal S1, and further, the third detection signal S3 is subtracted from the second detection signal S2, and these are renewed to detect the detection signal S1 and the detection in Equation (1) above. By using the signal S2, the influence of natural light can be removed.
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した撮像装置において駆動方法を工夫することで、TOF方式を適用した3次元撮像を実現でき、距離画像測定装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、TOF方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、簡易な構成を有する撮像装置の実現が可能になる。 Thus, a photosensor is configured with a small number of elements, and by devising a driving method in an imaging apparatus equipped with the photosensor, three-dimensional imaging using the TOF method can be realized, and the function as a distance image measuring apparatus can be realized. You can see that you can do it. Therefore, it is possible to solve the problem that the number of elements of the photosensor generated when the TOF method is applied, and to realize an imaging apparatus having a simple configuration.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態3)
本実施の形態では、TOF方式を適用した撮像装置の駆動方法の一例について図6乃至図8、及び図13を用いて説明する。当該駆動方法によれば、被検出物が高速に移動しても、高精度な位置検出を行うことが可能である。より具体的には、隣接するフォトセンサにおいて、実質的に、被検出物の同一点における反射光を検出する。一方のフォトセンサでは、第1の撮像を行って、被検出物に対する光照射時の、被検出物からの反射光を検出する。もう一方のフォトセンサでは、第2の撮像を行って、被検出物に対する光照射終了時以後の、被検出物からの反射光を検出する。連続して、第1の撮像と第2の撮像を行うことで、第1の撮像が終了してから、第2の撮像が開始されるまでの間に時間差を生じさせない。当該方法によれば、被検出物が高速に移動しても、検出精度を向上させることができる。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of a method for driving an imaging device to which the TOF method is applied is described with reference to FIGS. According to the driving method, it is possible to detect the position with high accuracy even when the detection object moves at high speed. More specifically, the reflected light at the same point of the object to be detected is detected by the adjacent photosensors. One photosensor performs first imaging to detect reflected light from the object to be detected when the object is irradiated with light. The other photosensor performs second imaging to detect reflected light from the detected object after the end of light irradiation on the detected object. By performing the first imaging and the second imaging continuously, no time difference is caused between the end of the first imaging and the start of the second imaging. According to this method, the detection accuracy can be improved even when the object to be detected moves at high speed.
本明細書で開示する発明の一態様における撮像装置が有するフォトセンサは3個のトランジスタ及び1個のフォトダイオードから構成されている。図6は、撮像装置が有するフォトセンサ700_n及び、フォトセンサ700_(n+1)の構成を示す回路図の一例である。なお、フォトセンサ700_n及び、フォトセンサ700_(n+1)が、同一の構成を成す例について説明する。 A photosensor included in an imaging device of one embodiment of the invention disclosed in this specification includes three transistors and one photodiode. FIG. 6 is an example of a circuit diagram illustrating structures of the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) included in the imaging device. Note that an example in which the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) have the same structure is described.
図6に示すように、フォトセンサ700_n及び、フォトセンサ700_(n+1)は隣接して配置されている。フォトセンサ700_nは3個のトランジスタ及び1個のフォトダイオードから構成されている。同様に、フォトセンサ700_(n+1)は3個のトランジスタ及び1個のフォトダイオードから構成されている。 As illustrated in FIG. 6, the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) are adjacent to each other. The photosensor 700 — n includes three transistors and one photodiode. Similarly, the photosensor 700_ (n + 1) includes three transistors and one photodiode.
図6に示すように、フォトセンサ700_nは、フォトダイオード702_n、トランジスタ703_n、トランジスタ704_n、トランジスタ705_nを有する。フォトセンサ700_(n+1)は、フォトダイオード702_(n+1)、トランジスタ703_(n+1)、トランジスタ704_(n+1)、トランジスタ705_(n+1)を有する。 As illustrated in FIG. 6, the photosensor 700 — n includes a photodiode 702 — n, a transistor 703 — n, a transistor 704 — n, and a transistor 705 — n. The photosensor 700_ (n + 1) includes a photodiode 702_ (n + 1), a transistor 703_ (n + 1), a transistor 704_ (n + 1), and a transistor 705_ (n + 1).
なお、開示する発明の一態様において、光源から被検出物に対する光の照射は1回のみ行われる。従って、被検出物から、フォトセンサに入射する反射光は、1回の照射に対応する反射光を示す。 Note that in one embodiment of the disclosed invention, irradiation of light from a light source to an object to be detected is performed only once. Therefore, the reflected light incident on the photosensor from the object to be detected indicates the reflected light corresponding to one irradiation.
ここで、隣接するフォトセンサ700_n、及びフォトセンサ700_(n+1)においては、実質的に被検出物の同一点からの、反射光がフォトセンサ700_n及びフォトセンサ700_(n+1)に入射する。 Here, in the adjacent photo sensor 700_n and photo sensor 700_ (n + 1), reflected light from substantially the same point of the detection object is incident on the photo sensor 700_n and the photo sensor 700_ (n + 1).
即ち、フォトダイオード702_nに入射する反射光、及びフォトダイオード702_(n+1)に入射する反射光は、光源から被検出物に対して光が照射された際に、該被検出物の同一点において反射された光である。 That is, the reflected light incident on the photodiode 702_n and the reflected light incident on the photodiode 702_ (n + 1) are reflected at the same point of the object to be detected when the object is irradiated from the light source. Light.
図6において、信号線11_nは、リセット信号線(PR_n)である。信号線12_nは、電荷蓄積信号線(TX_n)である。信号線13_nは、選択信号線(SE_n)である。ノード14_nは、フローティングディフュージョン(FD)ノードである。信号線16_nは、フォトセンサ出力信号線(OUT_n)である。 In FIG. 6, a signal line 11_n is a reset signal line (PR_n). The signal line 12_n is a charge accumulation signal line (TX_n). The signal line 13_n is a selection signal line (SE_n). The node 14_n is a floating diffusion (FD) node. The signal line 16_n is a photosensor output signal line (OUT_n).
また、図6において、信号線11_(n+1)は、リセット信号線(PR_(n+1))である。信号線12_(n+1)は、電荷蓄積信号線(TX_(n+1))である。信号線13_(n+1)は、選択信号線(SE_(n+1))である。ノード14_(n+1)は、フローティングディフュージョン(FD)ノードである。信号線16_(n+1)は、フォトセンサ出力信号線(OUT_(n+1))である。信号線15は、フォトセンサ基準信号線であり、フォトセンサ700_n及びフォトセンサ700_(n+1)で共有することも可能である。 In FIG. 6, a signal line 11_ (n + 1) is a reset signal line (PR_ (n + 1)). The signal line 12_ (n + 1) is a charge accumulation signal line (TX_ (n + 1)). The signal line 13_ (n + 1) is a selection signal line (SE_ (n + 1)). The node 14_ (n + 1) is a floating diffusion (FD) node. The signal line 16_ (n + 1) is a photosensor output signal line (OUT_ (n + 1)). The signal line 15 is a photosensor reference signal line, and can be shared by the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1).
図6に示すようにフォトセンサ700_nにおいて、フォトダイオード702_nの陽極は信号線11_nと電気的に接続され、フォトダイオード702_nの陰極は、トランジスタ703_nのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ703_nのソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ704_nのゲート電極と、ノード14_nとは、電気的に接続されている。トランジスタ704_nのソース電極又はドレイン電極の一方と信号線15とは、電気的に接続されている。トランジスタ705_nのソース電極又はドレイン電極の一方と信号線16_nとは、電気的に接続されている。トランジスタ704_nのソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ705_nのソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ703_nのゲート電極と信号線12_nとは電気的に接続され、トランジスタ705_nのゲート電極と信号線13_nとは電気的に接続されている。 As illustrated in FIG. 6, in the photosensor 700_n, the anode of the photodiode 702_n is electrically connected to the signal line 11_n, and the cathode of the photodiode 702_n is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 703_n. ing. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 703 — n, the gate electrode of the transistor 704 — n, and the node 14 — n are electrically connected. One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 704 — n and the signal line 15 are electrically connected. One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 705 — n and the signal line 16 — n are electrically connected. The other of the source and drain electrodes of the transistor 704 — n and the other of the source and drain electrodes of the transistor 705 — n are electrically connected. The gate electrode of the transistor 703 — n and the signal line 12 — n are electrically connected, and the gate electrode of the transistor 705 — n and the signal line 13 — n are electrically connected.
また同様にして、図6に示すようにフォトセンサ700_(n+1)において、フォトダイオード702_(n+1)の陽極は信号線11_(n+1)と電気的に接続され、フォトダイオード702_(n+1)の陰極は、トランジスタ703_(n+1)のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ703_(n+1)のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ704_(n+1)のゲート電極と、ノード14_(n+1)とは、電気的に接続されている。トランジスタ704_(n+1)のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線15とは、電気的に接続されている。トランジスタ705_(n+1)のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線16_(n+1)とは、電気的に接続されている。トランジスタ704_(n+1)のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ705_(n+1)のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ703_(n+1)のゲート電極と信号線12_(n+1)とは電気的に接続され、トランジスタ705_(n+1)のゲート電極と信号線13_(n+1)とは電気的に接続されている。 Similarly, as illustrated in FIG. 6, in the photosensor 700_ (n + 1), the anode of the photodiode 702_ (n + 1) is electrically connected to the signal line 11_ (n + 1), and the cathode of the photodiode 702_ (n + 1) is , Is electrically connected to one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 703_ (n + 1). The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 703_ (n + 1), the gate electrode of the transistor 704_ (n + 1), and the node 14_ (n + 1) are electrically connected. One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 704_ (n + 1) and the signal line 15 are electrically connected. One of a source electrode and a drain electrode of the transistor 705_ (n + 1) and the signal line 16_ (n + 1) are electrically connected. The other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 704_ (n + 1) is electrically connected to the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 705_ (n + 1). The gate electrode of the transistor 703_ (n + 1) and the signal line 12_ (n + 1) are electrically connected, and the gate electrode of the transistor 705_ (n + 1) and the signal line 13_ (n + 1) are electrically connected.
なお、図6では、フォトダイオード702_nの陽極が信号線11_nと電気的に接続され、フォトダイオード702_nの陰極がトランジスタ703_nのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード702_nの陰極が信号線11_nと電気的に接続され、フォトダイオード702_nの陽極がトランジスタ703_nのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。 Note that FIG. 6 illustrates a structure in which the anode of the photodiode 702 — n is electrically connected to the signal line 11 — n and the cathode of the photodiode 702 — n is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 703 — n. However, it is not limited to this. The cathode of the photodiode 702 — n may be electrically connected to the signal line 11 — n, and the anode of the photodiode 702 — n may be electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 703 — n.
同様に、フォトダイオード702_(n+1)の陽極が信号線11_(n+1)と電気的に接続され、フォトダイオード702_(n+1)の陰極がトランジスタ703_(n+1)のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード702_(n+1)の陰極が信号線11_(n+1)と電気的に接続され、フォトダイオード702_(n+1)の陽極がトランジスタ703_(n+1)のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。 Similarly, the anode of the photodiode 702_ (n + 1) is electrically connected to the signal line 11_ (n + 1), and the cathode of the photodiode 702_ (n + 1) is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 703_ (n + 1). However, the present invention is not limited to this. The cathode of the photodiode 702_ (n + 1) is electrically connected to the signal line 11_ (n + 1), and the anode of the photodiode 702_ (n + 1) is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 703_ (n + 1). May be.
フォトダイオード702は、光が照射されると電流が発生する光電変換素子である。従って、被検出物から反射された光を検出することで、当該フォトダイオード702には、光電流が流れる。 The photodiode 702 is a photoelectric conversion element that generates current when irradiated with light. Therefore, a photocurrent flows through the photodiode 702 by detecting the light reflected from the object to be detected.
トランジスタ703は、撮像時間を制御するトランジスタとして機能する。開示する発明の一態様において、信号線11の電位を、”L”から”H”に切り替え、トランジスタ703のゲート電極の電位(信号線12の電位)を、”L”から”H”に切り替えると、ノード14に正の電荷が蓄積されていく。トランジスタ703のゲート電極の電位(信号線12の電位)を”H”に維持したまま、信号線11の電位を、”H”から”L”に切り替えると、撮像開始となり、フォトダイオード702に照射される光に応じて、ノード14に負の電荷が蓄積されていく。このようにトランジスタ703は、該ゲート電極の電位を、”H”又は”L”にすることで、ノード14に蓄積される電荷の量を変化させることができる。また、撮像終了は、トランジスタ703のゲート電極の電位(信号線12の電位)を”H”から”L”に切り替える時である。 The transistor 703 functions as a transistor that controls imaging time. In one embodiment of the disclosed invention, the potential of the signal line 11 is switched from “L” to “H”, and the potential of the gate electrode of the transistor 703 (the potential of the signal line 12) is switched from “L” to “H”. Then, positive charges are accumulated in the node 14. When the potential of the signal line 11 is switched from “H” to “L” while the potential of the gate electrode of the transistor 703 (the potential of the signal line 12) is maintained at “H”, imaging starts and the photodiode 702 is irradiated. Negative charges are accumulated in the node 14 in accordance with the emitted light. As described above, the transistor 703 can change the amount of charge accumulated in the node 14 by setting the potential of the gate electrode to “H” or “L”. The end of imaging is when the potential of the gate electrode of the transistor 703 (the potential of the signal line 12) is switched from “H” to “L”.
3次元撮像において、信号線11_n(PR_n)及び信号線12_n(TX_n)の電位を制御する。また、信号線11_(n+1)(PR_(n+1))及び信号線12_(n+1)(TX_(n+1))の電位を制御する。 In three-dimensional imaging, the potential of the signal line 11_n (PR_n) and the signal line 12_n (TX_n) is controlled. In addition, the potentials of the signal line 11_ (n + 1) (PR_ (n + 1)) and the signal line 12_ (n + 1) (TX_ (n + 1)) are controlled.
具体的には、第1の撮像では、照射開始と同時に第1の撮像開始とし、照射終了と同時に第1の撮像終了とするように、信号線11_n(PR_n)及び信号線12_n(TX_n)の電位を制御する。また、第2の撮像では、照射終了と同時に第2の撮像開始とし、第1の撮像と同時間の撮像後に第2の撮像終了とするように、信号線11_(n+1)(PR_(n+1))及び信号線12_(n+1)(TX_(n+1))の電位を制御する。 Specifically, in the first imaging, the signal lines 11_n (PR_n) and the signal lines 12_n (TX_n) are set so that the first imaging starts at the start of irradiation and the first imaging ends at the end of irradiation. Control the potential. In the second imaging, the signal line 11_ (n + 1) (PR_ (n + 1) is set so that the second imaging starts at the same time as the irradiation ends and the second imaging ends after the imaging at the same time as the first imaging. ) And the signal line 12_ (n + 1) (TX_ (n + 1)).
トランジスタ704は、ノード14に蓄積された電荷を増幅するトランジスタとして機能する。トランジスタ705は、フォトセンサの出力を制御するトランジスタとして機能する。トランジスタ705のゲート電極に入力される信号(信号線13の電位)が”L”から”H”に切り替わる時、信号が読み出される。 The transistor 704 functions as a transistor that amplifies the charge accumulated in the node 14. The transistor 705 functions as a transistor that controls the output of the photosensor. When the signal (the potential of the signal line 13) input to the gate electrode of the transistor 705 is switched from “L” to “H”, the signal is read.
上述のように、フォトセンサ700_n及びフォトセンサ700_(n+1)は、フォトダイオード1個とトランジスタ3個という4素子で構成される。フォトセンサを少ない素子数で構成することが可能であるため、フォトセンサを高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。 As described above, the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) include four elements of one photodiode and three transistors. Since the photosensor can be configured with a small number of elements, it is easy to integrate the photosensors with high density and achieve miniaturization of pixels.
トランジスタ703、トランジスタ704、及びトランジスタ705は、それぞれ、先の実施の形態で説明したトランジスタ403、トランジスタ404、及びトランジスタ405と同様の機能を有する。したがって、用いることが好ましい半導体層についても、先の実施の形態を参照できる。 The transistors 703, 704, and 705 have functions similar to those of the transistors 403, 404, and 405 described in the above embodiment, respectively. Therefore, the above embodiment can be referred to for a semiconductor layer which is preferably used.
上述のように、フォトセンサは、フォトダイオード1個とトランジスタ3個という4素子で構成される。フォトセンサを少ない素子数で構成することが可能であるため、フォトセンサを高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。 As described above, the photosensor includes four elements, one photodiode and three transistors. Since the photosensor can be configured with a small number of elements, it is easy to integrate the photosensors with high density and achieve miniaturization of pixels.
また、中小型で高速動作を特に重視するフォトセンサを得る場合には、トランジスタ703、トランジスタ704、トランジスタ705の全てのトランジスタを多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料で構成することもできる。 In the case of obtaining a small-sized photosensor that places particular emphasis on high-speed operation, all of the transistors 703, 704, and 705 can be formed of a material such as polycrystalline silicon or single crystal silicon.
また、低コスト化を重視する場合には、トランジスタ703、トランジスタ704、トランジスタ705の全てのトランジスタを酸化物半導体材料で構成することもできる。 In the case where cost reduction is important, all of the transistors 703, 704, and 705 can be formed using an oxide semiconductor material.
また、低コスト化、且つ大型化を重視する場合には、トランジスタ703、トランジスタ704、トランジスタ705の全てのトランジスタをアモルファスシリコンや微結晶シリコンで構成することもできる。 In the case where low cost and large size are important, all of the transistors 703, 704, and 705 can be formed using amorphous silicon or microcrystalline silicon.
フォトセンサを隣接して設ける(例えば、フォトセンサ700_n及びフォトセンサ700_(n+1))ことで、実質的に被検出物の同一点からの反射光を隣接する2つのフォトセンサで検出することができる。光照射終了時より前に反射した光を隣接するフォトセンサの一方で検出し、光照射終了時より後に反射した光をもう一方で検出するため、被検出物が高速に移動しても、位置検出の精度を高めることができる。 By providing the photo sensors adjacent to each other (for example, the photo sensor 700_n and the photo sensor 700_ (n + 1)), reflected light from the same point of the detection target can be detected by the two adjacent photo sensors. . The light reflected before the end of light irradiation is detected by one of the adjacent photosensors, and the light reflected after the end of light irradiation is detected on the other side. The accuracy of detection can be increased.
1フレーム毎(例えば120Hz毎)に撮像を行った場合と、時間差をおかないで一の照射光により第1の撮像及び第2の撮像を行った場合とで比較すると、検出精度が明らかに異なる。1フレーム毎(例えば120Hz毎)に撮像を行った場合では、例えば、手が右から左へ10cm移動すると、約8mmのずれ(約指半分)が生じるが、上述の方法で撮像を行った場合では、このようなずれが生じないため、歪まずに撮像することができる。この他にも、手が例えば秒速0.1m〜秒速10mの範囲で移動した場合や、ボールが高速で投げられた場合、又、動物等が意図せぬ動きをした場合であっても、検出精度の高い撮像を行うことが可能である。 The detection accuracy is clearly different when imaging is performed every frame (for example, every 120 Hz) and when the first imaging and the second imaging are performed with one irradiation light without a time difference. . When imaging is performed every frame (for example, every 120 Hz), for example, if the hand moves 10 cm from right to left, a displacement of about 8 mm (about half of the finger) occurs. Then, since such a shift does not occur, an image can be taken without distortion. In addition to this, even when the hand moves in the range of 0.1 m / s to 10 m / s, the ball is thrown at a high speed, or the animal moves unintentionally, it is detected. High-accuracy imaging can be performed.
次に、フォトセンサ700_n及びフォトセンサ700_(n+1)を有する撮像装置の具体的な駆動方法の一例について図7及び図8に示すタイミングチャートを用いながら説明する。当該駆動方法を用いることで、TOF方式を適用した3次元撮像により、撮像装置から被検出物までの距離を測定することが可能である。被検出物が移動体であり、さらに移動速度が高速であっても位置検出精度を著しく低下させることがない。 Next, an example of a specific driving method of the imaging device including the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) will be described with reference to timing charts illustrated in FIGS. By using the driving method, it is possible to measure the distance from the imaging device to the object to be detected by three-dimensional imaging using the TOF method. Even if the object to be detected is a moving body and the moving speed is high, the position detection accuracy is not significantly reduced.
図7では、フォトセンサ700_n及びフォトセンサ700_(n+1)の動作の一例について説明する。図8では、駆動方法の特徴及びTOF方式を適用した3次元撮像による距離測定方法の一例について説明する。 FIG. 7 illustrates an example of operations of the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1). FIG. 8 illustrates an example of a distance measurement method by three-dimensional imaging using the characteristics of the driving method and the TOF method.
図7は、フォトセンサ700_nにおける信号線11_n、信号線12_n、信号線13_n、ノード14_n、信号線16_nのタイミングチャート、またフォトセンサ700_(n+1)における信号線11_(n+1)、信号線12_(n+1)、信号線13_(n+1)、ノード14_(n+1)、信号線16_(n+1)のタイミングチャートである。時刻T1〜時刻T10までの間に3次元撮像を行う。 7 illustrates a timing chart of the signal line 11_n, the signal line 12_n, the signal line 13_n, the node 14_n, and the signal line 16_n in the photosensor 700_n, and the signal line 11_ (n + 1) and the signal line 12_ (n + 1) in the photosensor 700_ (n + 1). ), Signal line 13_ (n + 1), node 14_ (n + 1), and signal line 16_ (n + 1). Three-dimensional imaging is performed between time T1 and time T10.
なお、図7及び図8に示すタイミングチャートにおいて、パルス601及びパルス602では、”照射”を”H”で、”非照射”を”L”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”H”で、電位の低い状態を、”L”で表すものとする。 7 and 8, in the pulse 601 and the pulse 602, “irradiation” is represented by “H”, “non-irradiation” is represented by “L”, and other pulses have high potential. The state is represented by “H”, and the low potential state is represented by “L”.
開示する発明の一態様における3次元撮像において光源から被検出物に対して光照射を、1回行う。また、光照射において、光源と被検出物との距離が変わっても良い。即ち被検出物は移動体でも良く、さらに該移動体は、高速で移動しても良い。 In the three-dimensional imaging according to one embodiment of the disclosed invention, the object to be detected is irradiated with light once from the light source. In light irradiation, the distance between the light source and the object to be detected may be changed. That is, the detected object may be a moving body, and the moving body may move at a high speed.
時刻T2〜時刻T3までの時間は、光源から照射された光(照射光)が被検出物に到着し、さらに被検出物で反射された光(反射光)が撮像装置に到着するまでの時間を表す。 The time from time T2 to time T3 is the time until the light irradiated from the light source (irradiated light) arrives at the detected object and the light reflected by the detected object (reflected light) arrives at the imaging device. Represents.
時刻T1において、信号線11_nを”H”とする。さらに、信号線12_nを”H”とする(第1のリセット)。この時、フォトダイオード702_n及びトランジスタ703_nが導通し、ノード14_nが”H”となる。 At time T1, the signal line 11_n is set to “H”. Further, the signal line 12 — n is set to “H” (first reset). At this time, the photodiode 702 — n and the transistor 703 — n are turned on, and the node 14 — n is set to “H”.
時刻T2において、光源から被検出物に対して光の照射を開始する。パルス601では、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を照射開始時刻とする。また、信号線11_nを”L”とし、信号線12_nを”H”のまま維持する(第1の撮像開始)。なお、この第1の撮像開始時刻は、照射開始時刻と一致する。 At time T2, irradiation of light from the light source to the object to be detected is started. In the pulse 601, “L” (non-irradiation) changes to “H” (irradiation). Let this time be irradiation start time. Further, the signal line 11_n is set to “L”, and the signal line 12_n is maintained at “H” (first imaging starts). Note that the first imaging start time coincides with the irradiation start time.
時刻T3において、光源から発せられた照射光が被検出物で反射し、反射光が撮像装置に入射し始める。パルス602では、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を反射開始時刻とする。時刻T3は、第1の反射光検出開始時刻でもある。時刻T3で反射光の検出を開始することができる。ノード14_nの電位が”H”より低下し始める。 At time T3, the irradiation light emitted from the light source is reflected by the detection object, and the reflected light begins to enter the imaging device. In the pulse 602, “L” (non-irradiation) changes to “H” (irradiation). This time is set as the reflection start time. Time T3 is also the first reflected light detection start time. Detection of reflected light can be started at time T3. The potential of the node 14 — n starts to drop from “H”.
時刻T4において、信号線12_nを”H”のまま維持する。ノード14_nの電位はさらに低下し続ける。また、時刻T4において、信号線11_(n+1)を”H”とし、さらに、信号線12_(n+1)を”H”とする(第2のリセット)。この時、フォトダイオード702_(n+1)及びトランジスタ703_(n+1)が導通し、ノード14_(n+1)が”H”となる。 At time T4, the signal line 12_n is kept “H”. The potential of the node 14_n continues to decrease further. At time T4, the signal line 11_ (n + 1) is set to “H”, and the signal line 12_ (n + 1) is set to “H” (second reset). At this time, the photodiode 702_ (n + 1) and the transistor 703_ (n + 1) are turned on, and the node 14_ (n + 1) becomes “H”.
時刻T5において、光源から被検出物に対する光の照射を終了する。パルス601では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を照射終了時刻とする。また、信号線12_nを”L”とする。この時、第1の撮像が終了する。なお、この第1の撮像終了時刻は、照射終了時刻と一致する。また、時刻T5は、第1の反射光検出終了時刻でもある。 At time T5, the irradiation of light from the light source to the detected object is terminated. In the pulse 601, “H” (irradiation) changes to “L” (non-irradiation). This time is defined as the irradiation end time. Further, the signal line 12 — n is set to “L”. At this time, the first imaging is finished. Note that this first imaging end time coincides with the irradiation end time. Time T5 is also the first reflected light detection end time.
なお、信号線12_nを”L”とする際、信号線12_nとノード14_nとの間における寄生容量により、ノード14_nの電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第1の撮像及び第2の撮像において、フォトダイオード702_nで、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、トランジスタ703_nのゲート電極−ソース電極間容量、又はトランジスタ703_nのゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード14_nに保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係るフォトセンサ700_nでは、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード14_nの電位変化は無視できるものとしている。 Note that when the signal line 12_n is set to “L”, the potential of the node 14_n changes due to parasitic capacitance between the signal line 12_n and the node 14_n. When the potential change is large, the photocurrent generated by the photodiode 702 — n cannot be accurately acquired in the first imaging and the second imaging. Therefore, in order to reduce the influence of parasitic capacitance, countermeasures such as reducing the capacitance between the gate electrode and the source electrode of the transistor 703 — n or the capacitance between the gate electrode and the drain electrode of the transistor 703 — n and connecting a storage capacitor to the node 14 — n are taken. It is valid. In the photosensor 700 — n according to one embodiment of the present invention, these measures are taken so that a potential change of the node 14 — n due to parasitic capacitance can be ignored.
なお、本発明の一態様に係るフォトセンサ700_(n+1)の場合も同様の対策を施してある。 Note that similar measures are taken for the photosensor 700_ (n + 1) according to one embodiment of the present invention.
このように、照射開始と同時に第1の撮像を開始し、且つ照射終了と同時に第1の撮像を終了するように、信号線11_n及び信号線12_nの電位を制御する。 In this manner, the potentials of the signal line 11_n and the signal line 12_n are controlled so that the first imaging is started simultaneously with the start of irradiation and the first imaging is ended simultaneously with the end of irradiation.
時刻T3〜時刻T5の間(第1の反射光検出期間)に、フォトダイオード702_nに入射する反射光の強度に応じてノード14_nの電位は変化する。フォトダイオード702_nのオフ電流に起因して、ノード14_nの電位が”H”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード702_nに照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。 Between time T3 and time T5 (first reflected light detection period), the potential of the node 14_n changes in accordance with the intensity of reflected light that enters the photodiode 702_n. Due to the off-state current of the photodiode 702 — n, the potential of the node 14 — n starts to be lower than “H”. The off-state current is proportional to the intensity of reflected light with which the photodiode 702 — n is irradiated and the irradiation time.
ここで、ノード14の電位変化と、フォトダイオード702に照射される光(反射光)の強度及び照射時間との関係について説明する。同一検出期間であれば、反射光強度が大きいほど、ノード14の電位変化は大きくなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、ノード14の電位変化は大きくなる。従って、反射光強度が大きく、反射光検出期間が長いほど、フォトダイオード702のオフ電流は増大し、ノード14の電位変化も大きくなる。 Here, the relationship between the potential change of the node 14, the intensity of light (reflected light) irradiated to the photodiode 702, and the irradiation time will be described. In the same detection period, the greater the reflected light intensity, the greater the potential change at the node 14. For the same intensity, the longer the reflected light detection period, the greater the potential change at the node 14. Therefore, the greater the reflected light intensity and the longer the reflected light detection period, the greater the off-state current of the photodiode 702 and the greater the potential change at the node 14.
なお、ノード14_nの電位は、時刻T5以後は一定となる。時刻T5でのノード14_nの電位(V1)は、第1の反射光検出の間にフォトダイオード702_nが生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。 Note that the potential of the node 14_n is constant after the time T5. The potential (V1) of the node 14_n at the time T5 depends on the photocurrent generated by the photodiode 702_n during the first reflected light detection. That is, it is determined according to the reflected light intensity or the like.
また、時刻T5でのノード14_nの電位(V1)に応じて、第1の検出信号が決定する。第1の反射光検出期間が長いほど、ノード14_nの電位変化は大きいため、時刻T5でのノード14_nの電位(V1)は小さくなる。 Further, the first detection signal is determined in accordance with the potential (V1) of the node 14_n at the time T5. As the first reflected light detection period is longer, the potential change of the node 14_n is larger, so the potential (V1) of the node 14_n at the time T5 is smaller.
時刻T1〜時刻T5の間に、フォトダイオード702_nに照射される光とは、全て反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。 The light irradiated to the photodiode 702 — n between time T1 and time T5 is all reflected light. That is, it refers to the light that is irradiated from the light source to the detected object and reflected from the detected object.
また、時刻T4〜時刻T7の間に、フォトダイオード702_(n+1)に照射される光もまた、全て反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。 In addition, light irradiated on the photodiode 702_ (n + 1) between time T4 and time T7 also indicates reflected light. That is, it refers to the light that is irradiated from the light source to the detected object and reflected from the detected object.
さらに時刻T5において、信号線11_(n+1)を”L”とし、信号線12_(n+1)を”H”のまま維持する(第2の撮像開始)。なお、この第2の撮像開始時刻は、照射終了時刻と一致する。また、時刻T5は、第2の反射光検出開始時刻でもある。時刻T5で反射光の検出を開始することができる。 Further, at time T5, the signal line 11_ (n + 1) is set to “L”, and the signal line 12_ (n + 1) is maintained at “H” (second imaging starts). Note that the second imaging start time coincides with the irradiation end time. Time T5 is also the second reflected light detection start time. Detection of reflected light can be started at time T5.
時刻T5〜時刻T6の間(第2の反射光検出期間)に、第2の反射光検出期間にフォトダイオード702_(n+1)に入射する反射光の強度に応じて、ノード14_(n+1)の電位は変化する。フォトダイオード702_(n+1)のオフ電流に起因して、ノード14_(n+1)の電位が”H”より低下し始める。オフ電流は、フォトダイオード702_(n+1)に照射される反射光の強度及び時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード14_(n+1)の電位も変化する。 Between time T5 and time T6 (second reflected light detection period), the potential of the node 14_ (n + 1) depends on the intensity of reflected light that enters the photodiode 702_ (n + 1) during the second reflected light detection period. Will change. Due to the off-state current of the photodiode 702_ (n + 1), the potential of the node 14_ (n + 1) starts to be lower than “H”. The off-state current is proportional to the intensity and time of reflected light with which the photodiode 702_ (n + 1) is irradiated. Therefore, the potential of the node 14_ (n + 1) also changes depending on the reflected light intensity and the reflected light detection period.
なお、本実施の形態においては、一例として、第1の反射光検出期間(時刻T3〜時刻T5)に比べて、第2の反射光検出期間(時刻T5〜時刻T6)は短い場合を示している。そのため、第1の撮像時のノード14の電位変化に比べて、第2の撮像時のノード14の電位変化は小さい。 In the present embodiment, as an example, the second reflected light detection period (time T5 to time T6) is shorter than the first reflected light detection period (time T3 to time T5). Yes. For this reason, the potential change of the node 14 during the second imaging is smaller than the potential change of the node 14 during the first imaging.
時刻T6において、被検出物で反射した反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス602では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を反射終了時刻とする。また、時刻T6は、第2の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線12_(n+1)は”H”のまま維持する。 At time T6, the reflected light reflected by the object to be detected is incident on the imaging device. The pulse 602 changes from “H” (irradiation) to “L” (non-irradiation). This time is set as the reflection end time. Time T6 is also the second reflected light detection end time. On the other hand, the signal line 12_ (n + 1) is maintained at “H”.
なお、ノード14_(n+1)の電位は、時刻T6以後は一定となる。時刻T6でのノード14_(n+1)の電位(V2)は、第2の反射光検出の間にフォトダイオード702_(n+1)が、生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。 Note that the potential of the node 14_ (n + 1) is constant after the time T6. The potential (V2) of the node 14_ (n + 1) at the time T6 depends on the photocurrent generated by the photodiode 702_ (n + 1) during the second reflected light detection. That is, it is determined according to the reflected light intensity or the like.
また、時刻T6でのノード14_(n+1)の電位(V2)に応じて、第2の検出信号が決定する。第2の反射光検出期間が短いほど、ノード14_(n+1)の電位変化は小さいため、時刻T6でのノード14_(n+1)の電位(V2)は大きくなる。 Further, the second detection signal is determined in accordance with the potential (V2) of the node 14_ (n + 1) at the time T6. The shorter the second reflected light detection period, the smaller the potential change of the node 14_ (n + 1), and thus the potential (V2) of the node 14_ (n + 1) at time T6 increases.
時刻T7において、信号線12_(n+1)を”L”とする。この時、第2の撮像が終了する。 At time T7, the signal line 12_ (n + 1) is set to “L”. At this time, the second imaging is finished.
このように、照射終了と同時に第2の撮像を開始し、且つ第1の撮像と同時間の撮像後に第2の撮像を終了するように、信号線11_(n+1)及び信号線12_(n+1)の電位を制御する。 In this way, the second imaging is started simultaneously with the end of the irradiation, and the second imaging is finished after the imaging at the same time as the first imaging, so that the signal line 11_ (n + 1) and the signal line 12_ (n + 1) are completed. To control the potential.
時刻T8において、信号線13_nを”H”とする(第1の読み出し開始)。この時、トランジスタ705_nが導通する。また、信号線15及び信号線16_nが、トランジスタ704_n、トランジスタ705_nを介して、導通する。すると、信号線16_nの電位は低下していく。なお、時刻T8以前に、信号線16_nには、予めプリチャージ動作を施し、”H”としておく。 At time T8, the signal line 13_n is set to “H” (first reading starts). At this time, the transistor 705_n is turned on. In addition, the signal line 15 and the signal line 16_n are turned on through the transistor 704_n and the transistor 705_n. Then, the potential of the signal line 16 — n decreases. Note that before the time T8, the signal line 16_n is subjected to a precharge operation in advance and is set to “H”.
信号線16_nにプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。該読み出し回路は、図13に示す読み出し回路401のように、1個のPchトランジスタ406で構成することも可能である。 There is no particular limitation on the structure of the reading circuit for performing the precharge operation on the signal line 16 — n. The readout circuit can also be constituted by one Pch transistor 406 as in the readout circuit 401 shown in FIG.
時刻T9において、信号線13_nを”L”とする(第1の読み出し終了)。すると、トランジスタ705_nが遮断され、信号線16_nの電位は、一定となる。時刻T9での信号線16_nの電位(VS1)は、時刻T8〜時刻T9での、信号線16_nの電位変化の速度に依存する。 At time T9, the signal line 13_n is set to “L” (end of the first reading). Then, the transistor 705_n is cut off and the potential of the signal line 16_n becomes constant. The potential (V S1 ) of the signal line 16_n at time T9 depends on the rate of change in potential of the signal line 16_n from time T8 to time T9.
なお、信号線16_nの電位変化の速度は、トランジスタ704_nのソース電極−ドレイン電極間の電流に依存する。即ち第1の撮像においてフォトダイオード702_nに照射される光(反射光)の強度及び照射時間に依存する。同一照射時間であれば、反射光強度が大きいほど、信号線16_nの電位変化の速度は遅くなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、信号線16_nの電位変化の速度は遅くなる。信号線16_nの電位変化の速度が遅いほど、時刻T9での信号線16_nの電位(VS1)は大きくなる。 Note that the rate of change in potential of the signal line 16 — n depends on the current between the source electrode and the drain electrode of the transistor 704 — n. That is, it depends on the intensity and irradiation time of light (reflected light) irradiated to the photodiode 702 — n in the first imaging. For the same irradiation time, the higher the reflected light intensity, the slower the potential change rate of the signal line 16_n. For the same intensity, the longer the reflected light detection period, the slower the potential change rate of the signal line 16_n. The slower the potential change rate of the signal line 16_n, the higher the potential (V S1 ) of the signal line 16_n at the time T9.
従って、第1の反射光検出により、時刻T9における信号線16_nの電位(VS1)を取得することで、第1の撮像期間にフォトダイオード702_nに入射した光(反射光)の量(入射した光の強度の時間積)を検出し、検出信号S1を得ることができる。ここで、照射する光の強度を一定とし、フォトダイオード702_nには、第1の反射光のみ入射したとすると、信号線16_nの電位(VS1)は、第1の反射光検出期間に概ね比例する。 Therefore, by acquiring the potential (V S1 ) of the signal line 16_n at the time T9 by the first reflected light detection, the amount of light (reflected light) incident on the photodiode 702_n during the first imaging period (incided) The detection signal S1 can be obtained by detecting the time product of light intensity. Here, when the intensity of irradiated light is constant and only the first reflected light is incident on the photodiode 702_n, the potential (V S1 ) of the signal line 16_n is approximately proportional to the first reflected light detection period. To do.
ノード14の電位と、信号線16の電位の関係について説明する。フォトダイオード702に照射される光(反射光)の強度が大きいと、一定期間内でのノード14の電位変化は大きくなる。この時、トランジスタ704のチャネル抵抗が高くなるため、信号線16の電位変化の速度は遅くなる。従って、一定期間内での信号線16の電位変化は小さくなる。 A relationship between the potential of the node 14 and the potential of the signal line 16 will be described. When the intensity of light (reflected light) applied to the photodiode 702 is large, the potential change of the node 14 within a certain period increases. At this time, since the channel resistance of the transistor 704 is increased, the speed of the potential change of the signal line 16 is decreased. Therefore, the potential change of the signal line 16 within a certain period becomes small.
さらに時刻T9において、信号線13_(n+1)を”H”とする(第2の読み出し開始)。この時、トランジスタ705_(n+1)が導通する。また、信号線15及び信号線16_(n+1)が、トランジスタ704_(n+1)、トランジスタ705_(n+1)を介して、導通する。すると、信号線16_(n+1)の電位は低下していく。なお、時刻T9以前に、信号線16_(n+1)には、予めプリチャージ動作を施し、”H”としておく。 Further, at time T9, the signal line 13_ (n + 1) is set to “H” (second read start). At this time, the transistor 705_ (n + 1) is turned on. In addition, the signal line 15 and the signal line 16_ (n + 1) are brought into conduction through the transistor 704_ (n + 1) and the transistor 705_ (n + 1). Then, the potential of the signal line 16_ (n + 1) decreases. Prior to time T9, the signal line 16_ (n + 1) is precharged in advance and set to “H”.
時刻T10において、信号線13_(n+1)を”L”とする(第2の読み出し終了)。すると、トランジスタ705_(n+1)が遮断され、信号線16_(n+1)の電位は、一定となる。時刻T10での信号線16_(n+1)の電位(VS2)は、時刻T9〜時刻T10での、信号線16_(n+1)の電位変化の速度に依存する。 At time T10, the signal line 13_ (n + 1) is set to “L” (end of second reading). Then, the transistor 705_ (n + 1) is cut off, and the potential of the signal line 16_ (n + 1) becomes constant. The potential (V S2 ) of the signal line 16_ (n + 1) at time T10 depends on the speed of change in potential of the signal line 16_ (n + 1) from time T9 to time T10.
光の強度が同一であれば、反射光検出期間が短いほど、信号線16_(n+1)の電位変化の速度は速くなる。信号線16_(n+1)の電位変化の速度が速いほど、時刻T10での信号線16_(n+1)の電位(VS2)は小さくなる。 If the light intensity is the same, the shorter the reflected light detection period, the faster the potential change speed of the signal line 16_ (n + 1). The faster the potential change rate of the signal line 16_ (n + 1), the smaller the potential (V S2 ) of the signal line 16_ (n + 1) at time T10.
従って、第2の反射光検出により、時刻T10における信号線16_(n+1)の電位(VS2)を取得することで、第2の撮像期間にフォトダイオード702_(n+1)に入射した光(反射光)の量(入射した光の強度の時間積)を検出し、検出信号S2を得ることができる。ここで、照射する光の強度を一定とし、フォトダイオード702_(n+1)には、第2の反射光のみ入射したとすると、信号線16_(n+1)の電位(VS2)は、第2の反射光検出期間に概ね比例する。 Therefore, by acquiring the potential (V S2 ) of the signal line 16_ (n + 1) at time T10 by detecting the second reflected light, the light (reflected light) incident on the photodiode 702_ (n + 1) in the second imaging period. ) (The time product of the intensity of the incident light) can be detected to obtain the detection signal S2. Here, when the intensity of irradiated light is constant and only the second reflected light is incident on the photodiode 702_ (n + 1), the potential (V S2 ) of the signal line 16_ (n + 1) is the second reflection. It is roughly proportional to the light detection period.
なお、本実施の形態においては、第1の反射光検出期間(時刻T3〜時刻T5)に比べて、第2の反射光検出期間(時刻T5〜時刻T6)は短いため、時刻T10における信号線16_(n+1)の電位(VS2)は、時刻T9における信号線16_nの電位(VS1)に比べて小さい。 In the present embodiment, since the second reflected light detection period (time T5 to time T6) is shorter than the first reflected light detection period (time T3 to time T5), the signal line at time T10. The potential (V S2 ) of 16_ (n + 1) is smaller than the potential (V S1 ) of the signal line 16_n at time T9.
時刻T10において、第1の撮像により検出信号S1を、第2の撮像により検出信号S2を得ることができるため、TOF方式を適用した3次元撮像が可能になる。 At time T10, since the detection signal S1 can be obtained by the first imaging and the detection signal S2 can be obtained by the second imaging, three-dimensional imaging using the TOF method becomes possible.
また、上述のように第1の反射光検出期間は、照射時の、被検出物からの反射光を検出する期間であり、第2の反射光検出期間は、照射終了時以後の、被検出物からの反射光を検出する期間である。即ち、実質的に被検出物の同一点からの反射光を、隣接するフォトセンサを利用することで、連続して検出することが可能になる。 In addition, as described above, the first reflected light detection period is a period for detecting reflected light from the detection object at the time of irradiation, and the second reflected light detection period is a detection target after the end of irradiation. This is a period during which reflected light from an object is detected. That is, the reflected light from the same point of the object to be detected can be continuously detected by using the adjacent photo sensor.
図8は、フォトセンサ700_n、フォトセンサ700_(n+1)における、パルス601、パルス602、信号線12_nのパルス、信号線12_(n+1)のパルスである。まず、図8を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。反射光の検出を、第1の反射光検出期間と、第2の反射光検出期間の2回に分離する。隣接するフォトセンサ700_n、フォトセンサ700_(n+1)を利用して、第1の撮像と第2の撮像とが連続して行われるように、信号線11_n、信号線12_n、信号線11_(n+1)、信号線12_(n+1)の電位を制御し、撮像時間のタイミングを工夫する点が、開示する発明の一態様における駆動方法の主な特徴である。 FIG. 8 illustrates pulses 601 and 602, a pulse of the signal line 12_n, and a pulse of the signal line 12_ (n + 1) in the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1). First, the characteristics of the driving method will be described with reference to FIG. The detection of the reflected light is separated into two times, a first reflected light detection period and a second reflected light detection period. Using the adjacent photo sensor 700_n and photo sensor 700_ (n + 1), the signal line 11_n, the signal line 12_n, and the signal line 11_ (n + 1) are performed so that the first imaging and the second imaging are continuously performed. The main feature of the driving method in one embodiment of the disclosed invention is that the potential of the signal line 12_ (n + 1) is controlled to devise the timing of imaging time.
図8に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、反射光検出期間のように、各期間に分けて説明する。 While comparing the pulses shown in FIG. 8, description will be made separately for each period such as an irradiation period, a reflection period, an imaging period, and a reflected light detection period.
パルス601に示すように、時刻T2は、照射開始時刻、時刻T5は、照射終了時刻、時刻T2〜時刻T5は、照射期間である。パルス602に示すように、時刻T3は、反射開始時刻、時刻T6は、反射終了時刻、時刻T3〜時刻T6は、反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。 As shown in the pulse 601, time T2 is the irradiation start time, time T5 is the irradiation end time, and time T2 to time T5 are the irradiation period. As shown by a pulse 602, time T3 is a reflection start time, time T6 is a reflection end time, and time T3 to time T6 are reflection periods. The reflection period is equal to the irradiation period.
信号線12_nのパルス(TX_n)に示すように、時刻T2は、第1の撮像開始時刻、時刻T5は、第1の撮像終了時刻、時刻T2〜時刻T5は、第1の撮像期間である。また、時刻T3は、第1の反射光検出開始時刻、時刻T5は、第1の反射光検出終了時刻、時刻T3〜時刻T5は、第1の反射光検出期間である。 As shown by the pulse (TX_n) of the signal line 12_n, time T2 is the first imaging start time, time T5 is the first imaging end time, and time T2 to time T5 are the first imaging period. Time T3 is the first reflected light detection start time, time T5 is the first reflected light detection end time, and times T3 to T5 are the first reflected light detection period.
第1の撮像は、少なくとも反射期間以前に開始されなければならない。また、第1の撮像は、照射期間終了と同時に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線11_n及び信号線12_nの電位を制御する。 The first imaging must be started at least before the reflection period. Further, the first imaging must be completed simultaneously with the end of the irradiation period. In this manner, the potentials of the signal line 11_n and the signal line 12_n are controlled so that the timing of the imaging period is determined.
さらに、信号線12_(n+1)のパルス(TX_(n+1))に示すように、時刻T5は、第2の撮像開始時刻、時刻T7は、第2の撮像終了時刻、時刻T5〜時刻T7は、第2の撮像期間である。また、時刻T5は、第2の反射光検出開始時刻、時刻T6は、第2の反射光検出終了時刻、時刻T5〜時刻T6は、第2の反射光検出期間である。 Further, as shown in the pulse (TX_ (n + 1)) of the signal line 12_ (n + 1), the time T5 is the second imaging start time, the time T7 is the second imaging end time, and the times T5 to T7 are This is the second imaging period. Time T5 is the second reflected light detection start time, time T6 is the second reflected light detection end time, and time T5 to time T6 are the second reflected light detection period.
第2の撮像は、照射期間終了と同時に開始されなければならない。また、第2の撮像は、少なくとも反射期間以後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線11_(n+1)及び信号線12_(n+1)の電位を制御する。 The second imaging must be started simultaneously with the end of the irradiation period. Further, the second imaging must be completed at least after the reflection period. In this manner, the potentials of the signal line 11_ (n + 1) and the signal line 12_ (n + 1) are controlled so that the timing of the imaging period is determined.
即ち、反射期間にフォトセンサ700_n及びフォトセンサ700_(n+1)に照射される反射光の検出期間を、2回に分離し、フォトセンサ700_nによって、第1の撮像期間内の第1の反射光を検出し、フォトセンサ700_(n+1)によって、第2の撮像期間内の第2の反射光を検出することで、時間的に連続して撮像を行うことが可能になる。 That is, the detection period of the reflected light irradiated to the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) in the reflection period is separated into two times, and the first reflected light in the first imaging period is separated by the photosensor 700_n. By detecting and detecting the second reflected light within the second imaging period by the photo sensor 700_ (n + 1), it becomes possible to perform imaging continuously in time.
なお、第1の反射光検出期間は、第1の撮像期間内に行われる。また、第2の反射光検出期間は、第2の撮像期間内に行われる。そして、第1の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存する第1の検出信号S1を取得し、第2の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存する第2の検出信号S2を取得することで、撮像装置から被検出物までの距離を測定することができる。 Note that the first reflected light detection period is performed within the first imaging period. Further, the second reflected light detection period is performed within the second imaging period. Then, the first detection signal S1 that depends on the delay time of the light acquired from the first reflected light detection is acquired, and the second detection signal S2 that depends on the delay time of the light acquired from the second reflected light detection. By acquiring, the distance from the imaging device to the detected object can be measured.
次に、TOF方式を適用した3次元撮像による距離測定方法の一例について説明する。第1の検出信号S1及び第2の検出信号S2を用いて、撮像装置から被検出物までの距離測定方法の一例について計算式を用いて示す。 Next, an example of a distance measurement method using three-dimensional imaging using the TOF method will be described. An example of a method for measuring the distance from the imaging device to the detection object using the first detection signal S1 and the second detection signal S2 will be described using a calculation formula.
ここで、光源から被検出物に対する照射光の強度を一定とし、第1の撮像期間及び第2の撮像期間には、フォトダイオード702_n、フォトダイオード702_(n+1)の各々に第1の反射光及び第2の反射光のみ入射したとすると、信号線16_nの電位(VS1)は、第1の反射光検出期間に概ね比例し、信号線16_(n+1)の電位(VS2)は、第2の反射光検出期間に概ね比例する。 Here, the intensity of irradiation light from the light source to the object to be detected is constant, and in the first imaging period and the second imaging period, the first reflected light and the photodiode 702_n and the photodiode 702_ (n + 1) respectively Assuming that only the second reflected light is incident, the potential (V S1 ) of the signal line 16 — n is approximately proportional to the first reflected light detection period, and the potential (V S2 ) of the signal line 16 — (n + 1) is the second Is substantially proportional to the reflected light detection period.
即ち、第1の撮像により得られる第1の検出信号S1は、第1の反射光検出期間に概ね依存し、第2の撮像により得られる第2の検出信号S2は、第2の反射光検出期間に概ね依存する。 That is, the first detection signal S1 obtained by the first imaging generally depends on the first reflected light detection period, and the second detection signal S2 obtained by the second imaging is the second reflected light detection. It largely depends on the period.
第1の検出信号S1及び第2の検出信号S2は比例定数α、照射期間T、遅延時間Δtを用いてそれぞれ数式(2)(3)で表すことができる。 The first detection signal S1 and the second detection signal S2 can be expressed by equations (2) and (3), respectively, using a proportional constant α, an irradiation period T, and a delay time Δt.
数式(2)(3)より、比例定数αを消去すると、数式(4)に示すように、遅延時間Δtが得られる。 When the proportionality constant α is eliminated from the equations (2) and (3), the delay time Δt is obtained as shown in the equation (4).
さらに、前述の、光源から被検出物までの距離xの式(x=(c×Δt)/2)と、数式(4)を利用すると、撮像装置から被検出物までの距離xは、数式(1)で表すことができる。 Furthermore, using the above-described equation (x = (c × Δt) / 2) for the distance x from the light source to the object to be detected and Equation (4), the distance x from the imaging device to the object to be detected It can be represented by (1).
これより、第1の検出信号S1及び第2の検出信号S2が得られれば、撮像装置から、被検出物までの距離xを得ることができる。 Thus, if the first detection signal S1 and the second detection signal S2 are obtained, the distance x from the imaging device to the detected object can be obtained.
また、光源から光の照射を行わない期間に、フォトセンサ700_nやフォトセンサ700_(n+1)によって第3の撮像を行ってもよい。この場合、第3の撮像により第3の検出信号S3が得られる。第1の検出信号S1から第3の検出信号S3を差し引き、さらに、第2の検出信号S2から第3の検出信号S3を差し引き、これらを改めて上記数式(1)における検出信号S1及び検出信号S2とすることで、自然光の影響を取り除くことができる。 Alternatively, the third imaging may be performed by the photosensor 700_n or the photosensor 700_ (n + 1) in a period in which light irradiation from the light source is not performed. In this case, the third detection signal S3 is obtained by the third imaging. The third detection signal S3 is subtracted from the first detection signal S1, and further, the third detection signal S3 is subtracted from the second detection signal S2, and the detection signal S1 and the detection signal S2 in the above formula (1) are renewed. By doing so, the influence of natural light can be removed.
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した撮像装置において駆動方法を工夫することで、TOF方式を適用した3次元撮像を実現でき、距離測定装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、TOF方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、画素の微細化に有利な撮像装置の実現が可能になる。 As a result, a photosensor is configured with a small number of elements, and by devising a driving method in an imaging apparatus equipped with the photosensor, three-dimensional imaging using the TOF method can be realized, and the function as a distance measuring apparatus is achieved. You can see that Therefore, it is possible to solve the problem that the number of elements of the photosensor generated when the TOF method is applied, and to realize an imaging device advantageous for pixel miniaturization.
また、光源から被検出物に対する照射終了時より前に反射した光を隣接するフォトセンサの一方で検出し、照射終了時より後に反射した光をもう一方で検出するため、被検出物が高速に移動しても、位置検出精度を低下させることなく、光源から被検出物(移動体)までの距離を測定することが可能になる。 In addition, the light reflected from the light source before the end of irradiation on the detected object is detected by one of the adjacent photosensors, and the light reflected after the end of irradiation is detected on the other side, so that the detected object can be moved at high speed. Even if it moves, it becomes possible to measure the distance from the light source to the detected object (moving body) without reducing the position detection accuracy.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態4)
本実施の形態では、2次元撮像とTOF方式を適用した3次元撮像を一度に行うことが可能な撮像装置の駆動方法の一例について図9乃至図13を用いて説明する。なお、撮像装置が有するフォトセンサは、可視光を吸収する第1のフォトセンサと、赤外光を吸収する第2のフォトセンサとが重畳する構成を成す。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an example of a driving method of an imaging device capable of performing two-dimensional imaging and three-dimensional imaging using the TOF method at once will be described with reference to FIGS. Note that the photosensor included in the imaging device has a structure in which a first photosensor that absorbs visible light and a second photosensor that absorbs infrared light overlap.
3次元撮像では、第1の赤外光照射及び第2の赤外光照射(同一の長さでタイミングが異なる)に対応させて、第1の撮像及び第2の撮像を行い、第1の赤外光照射による第1の反射光を検出する第1の赤外反射光検出から、光の遅延時間に依存した第1の検出信号を取得し、第2の赤外光照射による第2の反射光を検出する第2の赤外反射光検出から、光の遅延時間に依存した第2の検出信号を取得することで、光源から被検出物までの距離を測定する。2次元撮像では、第3の撮像を行い、第3の検出信号を取得することで、被検出物の明るさ、色彩等を取得する。 In the three-dimensional imaging, the first imaging and the second imaging are performed in correspondence with the first infrared light irradiation and the second infrared light irradiation (the timing is different with the same length), and the first imaging is performed. From the first infrared reflected light detection for detecting the first reflected light by the infrared light irradiation, a first detection signal depending on the delay time of the light is acquired, and the second detection by the second infrared light irradiation is performed. The distance from the light source to the object to be detected is measured by acquiring a second detection signal depending on the light delay time from the second infrared reflected light detection for detecting the reflected light. In the two-dimensional imaging, the third imaging is performed and the third detection signal is acquired, thereby acquiring the brightness, color, and the like of the detected object.
本明細書で開示する発明の一態様における撮像装置が有するフォトセンサの構成について、図9及び図10を参照して説明する。フォトセンサ800は、第1のフォトセンサ800A及び第2のフォトセンサ800Bを有する。 A structure of a photosensor included in an imaging device of one embodiment of the invention disclosed in this specification will be described with reference to FIGS. The photo sensor 800 includes a first photo sensor 800A and a second photo sensor 800B.
図9に示すように、第1のフォトセンサ800A及び第2のフォトセンサ800Bが、同一の構成を成す例について説明する。第1のフォトセンサ800Aは3個のトランジスタ及び1個のフォトダイオードから構成されている。また、第2のフォトセンサ800Bは3個のトランジスタ及び1個のフォトダイオードから構成されている。図9(A)に示すように、第1のフォトセンサ800Aは、第1のフォトダイオード802A、第1のトランジスタ804A、第2のトランジスタ805A、第3のトランジスタ803Aを有する。同様に、図9(B)に示すように、第2のフォトセンサ800Bは、第2のフォトダイオード802B、第1のトランジスタ804B、第2のトランジスタ805B、第3のトランジスタ803Bを有する。 As shown in FIG. 9, an example in which the first photosensor 800A and the second photosensor 800B have the same configuration will be described. The first photosensor 800A includes three transistors and one photodiode. In addition, the second photosensor 800B includes three transistors and one photodiode. As shown in FIG. 9A, the first photosensor 800A includes a first photodiode 802A, a first transistor 804A, a second transistor 805A, and a third transistor 803A. Similarly, as illustrated in FIG. 9B, the second photosensor 800B includes a second photodiode 802B, a first transistor 804B, a second transistor 805B, and a third transistor 803B.
図10(A)は、撮像装置が有するフォトセンサ800の構成を示す回路図の一例である。図10(A)に示すように、第1のフォトセンサ800A及び第2のフォトセンサ800Bは隣接している。具体的には図10(B)に示すように、第1のフォトダイオード802A及び第2のフォトダイオード802Bは、重畳し、且つ第1のフォトダイオード802Aは、第2のフォトダイオード802Bに対して、フォトセンサ800に照射する光(可視光及び赤外光を含む)が先に入射する位置に配置されている。 FIG. 10A is an example of a circuit diagram illustrating a structure of a photosensor 800 included in the imaging device. As shown in FIG. 10A, the first photosensor 800A and the second photosensor 800B are adjacent to each other. Specifically, as illustrated in FIG. 10B, the first photodiode 802A and the second photodiode 802B overlap with each other, and the first photodiode 802A is in contact with the second photodiode 802B. The light (including visible light and infrared light) applied to the photosensor 800 is disposed at a position where the light is incident first.
なお、本明細書においてフォトセンサ800に照射する光は、反射光であるとする。本明細書における、第1のフォトダイオード802Aに照射する光とは、光源からの光と自然光の一方又は両方が被検出物に対して照射されて、該被検出物から反射される光を意味する(可視光)。また、第2のフォトダイオード802Bに照射する光とは、光源から被検出物に対して光が照射されて、該被検出物から反射される光を意味する(赤外光)。 Note that light irradiated on the photosensor 800 in this specification is reflected light. In this specification, the light irradiating the first photodiode 802A means light that is reflected from the object to be detected when one or both of light from the light source and natural light are irradiated to the object to be detected. Yes (visible light). Further, the light applied to the second photodiode 802B means light that is irradiated from the light source to the object to be detected and reflected from the object to be detected (infrared light).
第1のフォトセンサ800A、第2のフォトセンサ800Bを重畳して設けることで、各センサを配置する際、面積を共有することができるため、撮像装置に占めるフォトセンサの専有面積を低減することができる。従って画素の微細化を図ることができる。 By providing the first photosensor 800A and the second photosensor 800B in an overlapping manner, the area can be shared when arranging each sensor, so that the area occupied by the photosensor in the imaging device can be reduced. Can do. Accordingly, the pixel can be miniaturized.
また、第1のフォトダイオード802Aの半導体層は、主に可視光を吸収し、大部分の赤外光を透過する特性を有する。例えば、第1のフォトダイオード802Aの半導体層として、非晶質シリコン等を用いることができる。 In addition, the semiconductor layer of the first photodiode 802A has a characteristic of mainly absorbing visible light and transmitting most of infrared light. For example, amorphous silicon or the like can be used for the semiconductor layer of the first photodiode 802A.
また、第2のフォトダイオード802Bの半導体層は、赤外光を吸収する特性を有する。例えば、第2のフォトダイオード802Bの半導体層として、多結晶シリコン、微結晶シリコン、単結晶シリコン等を用いることができる。 In addition, the semiconductor layer of the second photodiode 802B has a characteristic of absorbing infrared light. For example, polycrystalline silicon, microcrystalline silicon, single crystal silicon, or the like can be used for the semiconductor layer of the second photodiode 802B.
従って、可視光を第2のフォトダイオード802Bに対して、第1のフォトダイオード802Aで先に吸収することで第2のフォトダイオード802Bに入射する可視光を低減することができる。 Therefore, visible light incident on the second photodiode 802B can be reduced by first absorbing visible light with respect to the second photodiode 802B with the first photodiode 802A.
即ち第1のフォトセンサ800Aでは可視光を利用し、第2のフォトセンサ800Bでは赤外光を利用する。 That is, the first photosensor 800A uses visible light, and the second photosensor 800B uses infrared light.
図9(A)及び図10(A)において、信号線11Aは、リセット信号線(PR_2)である。信号線12Aは、電荷蓄積信号線(TX_2)である。信号線13Aは、選択信号線(SE_2)である。ノード14Aは、フローティングディフュージョン(FD)ノード(FD_2)である。信号線16Aは、フォトセンサ出力信号線である。図9(B)及び図10(A)において、信号線11Bは、リセット信号線(PR_3)である。信号線12Bは、電荷蓄積信号線(TX_3)である。信号線13Bは、選択信号線(SE_3)である。ノード14Bは、フローティングディフュージョン(FD)ノード(FD_3)である。信号線16Bは、フォトセンサ出力信号線である。信号線15は、フォトセンサ基準信号線であり、第1のフォトセンサ800A及び第2のフォトセンサ800Bで共有することも可能である。 9A and 10A, the signal line 11A is a reset signal line (PR_2). The signal line 12A is a charge storage signal line (TX_2). The signal line 13A is a selection signal line (SE_2). The node 14A is a floating diffusion (FD) node (FD_2). The signal line 16A is a photosensor output signal line. In FIG. 9B and FIG. 10A, the signal line 11B is a reset signal line (PR_3). The signal line 12B is a charge accumulation signal line (TX_3). The signal line 13B is a selection signal line (SE_3). The node 14B is a floating diffusion (FD) node (FD_3). The signal line 16B is a photosensor output signal line. The signal line 15 is a photosensor reference signal line, and can be shared by the first photosensor 800A and the second photosensor 800B.
図10(A)に示すようにフォトセンサ800において、フォトダイオード802の陽極は信号線11と電気的に接続され、フォトダイオード802の陰極は、第3のトランジスタ803のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。第3のトランジスタ803のソース電極又はドレイン電極の他方と、第1のトランジスタ804のゲート電極と、ノード14とは、電気的に接続されている。第1のトランジスタ804のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線15とは、電気的に接続されている。第2のトランジスタ805のソース電極又はドレイン電極の一方と信号線16とは、電気的に接続されている。第1のトランジスタ804のソース電極又はドレイン電極の他方と、第2のトランジスタ805のソース電極又はドレイン電極の他方とは、電気的に接続されている。第3のトランジスタ803のゲート電極と信号線12とは電気的に接続され、第2のトランジスタ805のゲート電極と信号線13とは電気的に接続されている。 As shown in FIG. 10A, in the photosensor 800, the anode of the photodiode 802 is electrically connected to the signal line 11, and the cathode of the photodiode 802 is one of the source electrode and the drain electrode of the third transistor 803. And are electrically connected. The other of the source electrode and the drain electrode of the third transistor 803, the gate electrode of the first transistor 804, and the node 14 are electrically connected. One of the source electrode and the drain electrode of the first transistor 804 and the signal line 15 are electrically connected. One of the source electrode and the drain electrode of the second transistor 805 and the signal line 16 are electrically connected. The other of the source electrode and the drain electrode of the first transistor 804 and the other of the source electrode and the drain electrode of the second transistor 805 are electrically connected. The gate electrode of the third transistor 803 and the signal line 12 are electrically connected, and the gate electrode of the second transistor 805 and the signal line 13 are electrically connected.
なお、図9及び図10(A)では、フォトダイオード802の陽極が信号線11と電気的に接続され、フォトダイオード802の陰極が第3のトランジスタ803のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード802の陰極が信号線11と電気的に接続され、フォトダイオード802の陽極が第3のトランジスタ803のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。 9A and 9B, the anode of the photodiode 802 is electrically connected to the signal line 11, and the cathode of the photodiode 802 is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the third transistor 803. However, the present invention is not limited to this. The cathode of the photodiode 802 may be electrically connected to the signal line 11, and the anode of the photodiode 802 may be electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the third transistor 803.
フォトダイオード802は、光が照射されると電流が発生する光電変換素子である。従って、被検出物から反射された光を検出することで、当該フォトダイオード802には、光電流が流れる。 The photodiode 802 is a photoelectric conversion element that generates current when irradiated with light. Therefore, a photocurrent flows through the photodiode 802 by detecting the light reflected from the object to be detected.
第3のトランジスタ803は、撮像時間を制御するトランジスタとして機能する。開示する発明の一態様において、信号線11の電位を、”L(Low)”から”H(High)”に切り替え、第3のトランジスタ803のゲート電極の電位(信号線12の電位)を、”L”から”H”に切り替えると、ノード14に正の電荷が蓄積されていく。第3のトランジスタ803のゲート電極の電位(信号線12の電位)を”H”に維持したまま、信号線11の電位を、”H”から”L”に切り替えると、撮像開始となり、フォトダイオード802に照射される光に応じて、ノード14に負の電荷が蓄積されていく。このように第3のトランジスタ803は、該ゲート電極の電位を、”H”又は”L”にすることで、ノード14に蓄積される電荷の量を変化させることができる。また、撮像終了は、第3のトランジスタ803のゲート電極の電位(信号線12の電位)を”H”から”L”に切り替える時である。 The third transistor 803 functions as a transistor that controls imaging time. In one embodiment of the disclosed invention, the potential of the signal line 11 is switched from “L (Low)” to “H (High)”, and the potential of the gate electrode of the third transistor 803 (the potential of the signal line 12) is When switching from “L” to “H”, positive charges are accumulated in the node 14. When the potential of the signal line 11 is switched from “H” to “L” while the potential of the gate electrode of the third transistor 803 (the potential of the signal line 12) is maintained at “H”, imaging starts, and the photodiode Negative charges are accumulated in the node 14 in accordance with the light radiated to 802. In this manner, the third transistor 803 can change the amount of charge accumulated in the node 14 by setting the potential of the gate electrode to “H” or “L”. The end of imaging is when the potential of the gate electrode of the third transistor 803 (the potential of the signal line 12) is switched from “H” to “L”.
3次元撮像では、信号線11B(PR_3)及び信号線12B(TX_3)の電位を制御する。具体的には、第1の撮像では、第1の照射開始と同時に第1の撮像開始とし、第1の照射終了と同時に第1の撮像終了とするように、信号線11B及び信号線12Bの電位を制御する。また、第2の撮像では、第2の照射終了と同時に第2の撮像開始とし、第1の撮像と同時間の撮像後に第2の撮像終了とするように、信号線11B及び信号線12Bの電位を制御する。 In the three-dimensional imaging, the potentials of the signal line 11B (PR_3) and the signal line 12B (TX_3) are controlled. Specifically, in the first imaging, the first imaging starts at the same time as the first irradiation starts, and the first imaging ends at the same time as the first irradiation ends. Control the potential. In the second imaging, the second imaging starts at the same time as the second irradiation ends, and the second imaging ends after the imaging at the same time as the first imaging. Control the potential.
2次元撮像では、信号線11A(PR_2)及び信号線12A(TX_2)の電位を制御する。具体的には、第3の撮像では、第1の撮像開始と同時に第3の撮像開始とし、第2の撮像終了後に第3の撮像終了とするように、信号線11A及び信号線12Aの電位を制御する。 In the two-dimensional imaging, the potentials of the signal line 11A (PR_2) and the signal line 12A (TX_2) are controlled. Specifically, in the third imaging, the potentials of the signal line 11A and the signal line 12A are set so that the third imaging starts at the same time as the first imaging starts and the third imaging ends after the second imaging ends. To control.
第1のトランジスタ804は、ノード14に蓄積された電荷を増幅するトランジスタとして機能する。第2のトランジスタ805は、フォトセンサの出力を制御するトランジスタとして機能する。第2のトランジスタ805のゲート電極に入力される信号(信号線13の電位)が”L”から”H”に切り替わる時、信号が読み出される。 The first transistor 804 functions as a transistor that amplifies the charge accumulated in the node 14. The second transistor 805 functions as a transistor that controls the output of the photosensor. When the signal (the potential of the signal line 13) input to the gate electrode of the second transistor 805 is switched from “L” to “H”, the signal is read.
第3のトランジスタ803、第1のトランジスタ804、及び第2のトランジスタ805は、それぞれ、先の実施の形態で説明したトランジスタ403、トランジスタ404、及びトランジスタ405と同様の機能を有する。したがって、用いることが好ましい半導体層についても、先の実施の形態を参照できる。 The third transistor 803, the first transistor 804, and the second transistor 805 have functions similar to those of the transistor 403, the transistor 404, and the transistor 405 described in the above embodiment, respectively. Therefore, the above embodiment can be referred to for a semiconductor layer which is preferably used.
フォトセンサ800を有する撮像装置の駆動方法について説明する。当該駆動方法を用いることで、2次元撮像とTOF方式を適用した3次元撮像を一度に行うことが可能である。また、第1のフォトセンサ800A及び第2のフォトセンサ800Bを重畳しているため、画素の微細化を達成しつつ、可視光を吸収する第1のフォトセンサ800Aを用いた2次元撮像と、赤外光を吸収する第2のフォトセンサ800Bを用いた3次元撮像を行うことができる。 A method for driving the imaging device including the photosensor 800 will be described. By using the driving method, two-dimensional imaging and three-dimensional imaging using the TOF method can be performed at a time. In addition, since the first photosensor 800A and the second photosensor 800B are superimposed, two-dimensional imaging using the first photosensor 800A that absorbs visible light while achieving pixel miniaturization; Three-dimensional imaging using the second photosensor 800B that absorbs infrared light can be performed.
具体的な駆動方法について、図11及び図12に示すタイミングチャートを用いながら説明する。まず、図11では、フォトセンサ800の動作について説明する。図12では、駆動方法の特徴及び2次元撮像とTOF方式を適用した3次元撮像を一度に行う方法について説明する。 A specific driving method will be described with reference to timing charts shown in FIGS. First, the operation of the photosensor 800 will be described with reference to FIG. In FIG. 12, the characteristics of the driving method and a method for performing two-dimensional imaging and three-dimensional imaging using the TOF method at once will be described.
図11は、フォトセンサ800のタイミングチャートである。時刻T1〜時刻T18までの間に、2次元撮像及び3次元撮像を行う。 FIG. 11 is a timing chart of the photosensor 800. Two-dimensional imaging and three-dimensional imaging are performed between time T1 and time T18.
なお、図11及び図12に示すタイミングチャートにおいて、パルス901及びパルス902では、”照射”を”H”で、”非照射”を”L”で表すものとし、他のパルスでは、電位の高い状態を、”H”で、電位の低い状態を、”L”で表すものとする。 11 and 12, in the pulse 901 and the pulse 902, “irradiation” is represented by “H”, “non-irradiation” is represented by “L”, and other pulses have a high potential. The state is represented by “H”, and the low potential state is represented by “L”.
なお、3次元撮像において光源から被検出物に対して2回の照射(第1の照射及び第2の照射)を行う。なお、第2の照射は、第1の照射とタイミングが異なり、且つ同一時間行われるものとする。また、第1の照射及び第2の照射において、光源と被検出物との距離が変わらないものとし、時刻T2〜時刻T3までの時間(遅延時間)及び時刻T8〜時刻T9までの時間(遅延時間)が等しいことは自明である。 In the three-dimensional imaging, irradiation (first irradiation and second irradiation) is performed twice from the light source to the detected object. Note that the second irradiation is different in timing from the first irradiation and is performed for the same time. In the first irradiation and the second irradiation, the distance between the light source and the object to be detected is not changed, and the time from time T2 to time T3 (delay time) and the time from time T8 to time T9 (delay) It is obvious that time is equal.
時刻T1において、信号線11Bを”H”とする。さらに、信号線12Bを”H”とする(3次元撮像における第1のリセット)。この時、第2のフォトダイオード802B及び第3のトランジスタ803Bが導通し、ノード14Bが”H”となる。 At time T1, the signal line 11B is set to “H”. Further, the signal line 12B is set to “H” (first reset in three-dimensional imaging). At this time, the second photodiode 802B and the third transistor 803B are turned on, and the node 14B becomes “H”.
同様に信号線11Aを”H”とする。さらに、信号線12Aを”H”とする(2次元撮像における第1のリセット)。この時、第1のフォトダイオード802A及び第3のトランジスタ803Aが導通し、ノード14Aが”H”となる。 Similarly, the signal line 11A is set to “H”. Further, the signal line 12A is set to “H” (first reset in two-dimensional imaging). At this time, the first photodiode 802A and the third transistor 803A are turned on, and the node 14A becomes “H”.
時刻T2において、光源から被検出物に対して第1の光の照射を開始する。パルス901では、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を第1の照射開始時刻とする。また、信号線11Bを”L”とし、信号線12Bを”H”のまま維持する(第1の撮像開始)。なお、この第1の撮像開始時刻は、第1の照射開始時刻と一致する。 At time T2, irradiation of the first light from the light source to the object to be detected is started. In the pulse 901, “L” (non-irradiation) changes to “H” (irradiation). Let this time be the first irradiation start time. Further, the signal line 11B is set to “L” and the signal line 12B is maintained at “H” (first imaging starts). Note that the first imaging start time coincides with the first irradiation start time.
同様に、信号線11Aを”L”とし、信号線12Aを”H”のまま維持する(第3の撮像開始)。当該構成によれば、可視光を吸収する第1のフォトダイオード802Aと赤外光を吸収する第2のフォトダイオード802Bとを重畳して構成しているため、第1の撮像及び第3の撮像を同時に開始することが可能である。 Similarly, the signal line 11A is set to “L”, and the signal line 12A is maintained at “H” (start of the third imaging). According to this configuration, since the first photodiode 802A that absorbs visible light and the second photodiode 802B that absorbs infrared light are configured to overlap, the first imaging and the third imaging are performed. Can be started simultaneously.
時刻T3において、光源から発せされた第1の照射光が被検出物で反射し、第1の反射光(赤外光)が撮像装置に入射し始める。パルス902では、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を第1の反射開始時刻とする。時刻T3は、第1の反射光検出開始時刻でもある。時刻T3で反射光の検出を開始することができる。また、信号線12Aを”H”のまま維持する。 At time T3, the first irradiation light emitted from the light source is reflected by the object to be detected, and the first reflected light (infrared light) starts to enter the imaging apparatus. In the pulse 902, “L” (non-irradiation) changes to “H” (irradiation). Let this time be the first reflection start time. Time T3 is also the first reflected light detection start time. Detection of reflected light can be started at time T3. Further, the signal line 12A is maintained at “H”.
時刻T3〜時刻T4の間(第1の反射光検出期間)に、第1の反射光の強度に応じてノード14Bの電位は変化する。第2のフォトダイオード802Bのオフ電流に起因して、ノード14Bの電位が”H”より低下し始める。オフ電流は、第2のフォトダイオード802Bに照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。 During time T3 to time T4 (first reflected light detection period), the potential of the node 14B changes according to the intensity of the first reflected light. Due to the off-state current of the second photodiode 802B, the potential of the node 14B starts to be lower than “H”. The off-current is proportional to the intensity of the reflected light and the irradiation time applied to the second photodiode 802B.
同様にノード14Aの電位が”H”より低下し始める。 Similarly, the potential of the node 14A starts to drop from “H”.
ここで、ノード14の電位変化と、フォトダイオード802に照射される反射光の強度及び照射時間との関係について説明する。同一検出期間であれば、反射光強度が大きいほど、ノード14の電位変化は大きくなる。また、同一強度であれば、反射光検出期間が長いほど、ノード14の電位変化は大きくなる。従って、反射光強度が大きく、反射光検出期間が長いほど、フォトダイオード802のオフ電流は増大し、ノード14の電位変化も大きくなる。 Here, the relationship between the potential change of the node 14 and the intensity and irradiation time of the reflected light applied to the photodiode 802 will be described. In the same detection period, the greater the reflected light intensity, the greater the potential change at the node 14. For the same intensity, the longer the reflected light detection period, the greater the potential change at the node 14. Therefore, as the reflected light intensity increases and the reflected light detection period increases, the off-state current of the photodiode 802 increases and the potential change at the node 14 also increases.
時刻T4において、光源から被検出物に対する第1の光の照射を終了する。パルス901では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を第1の照射終了時刻とする。また、信号線12Bを”L”とする。この時、第1の撮像が終了する。なお、この第1の撮像終了時刻は、第1の照射終了時刻と一致する。また、時刻T4は、第1の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線12Aは”H”のまま維持する。 At time T4, the irradiation of the first light from the light source to the detected object is terminated. The pulse 901 changes from “H” (irradiation) to “L” (non-irradiation). This time is set as the first irradiation end time. Further, the signal line 12B is set to “L”. At this time, the first imaging is finished. Note that the first imaging end time coincides with the first irradiation end time. Time T4 is also the first reflected light detection end time. On the other hand, the signal line 12A is maintained at “H”.
このように、第1の照射開始と同時に第1の撮像を開始し、且つ第1の照射終了と同時に第1の撮像を終了するように、信号線11B及び信号線12Bの電位を制御する。 As described above, the potentials of the signal line 11B and the signal line 12B are controlled so that the first imaging is started simultaneously with the start of the first irradiation and the first imaging is ended simultaneously with the end of the first irradiation.
なお、ノード14Bの電位は、時刻T4以後は一定となる。時刻T4でのノード14Bの電位(V1)は、第1の反射光検出の間にフォトダイオード802が生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。一方、ノード14Aの電位は低下し続ける。 Note that the potential of the node 14B is constant after the time T4. The potential (V1) of the node 14B at time T4 depends on the photocurrent generated by the photodiode 802 during the first reflected light detection. That is, it is determined according to the reflected light intensity or the like. On the other hand, the potential of the node 14A continues to decrease.
また、時刻T4でのノード14Bの電位(V1)に応じて、第1の検出信号が決定する。第1の反射光検出期間が長いほど、ノード14Bの電位変化は大きいため、時刻T4でのノード14Bの電位(V1)は小さくなる。 Further, the first detection signal is determined in accordance with the potential (V1) of the node 14B at the time T4. As the first reflected light detection period is longer, the potential change of the node 14B is larger, so the potential (V1) of the node 14B at the time T4 is smaller.
時刻T1〜時刻T4の間に、第2のフォトダイオード802Bに照射される光とは、全て第1の反射による反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に対して光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、赤外光である。 The light irradiated to the second photodiode 802B between the time T1 and the time T4 is assumed to indicate all reflected light by the first reflection. That is, it refers to the light that is irradiated from the light source to the detected object and reflected from the detected object. The reflected light is infrared light.
また、時刻T1〜時刻T16の間に、第1のフォトダイオード802Aに照射される光も、全て反射光を指すものとする。即ち光源からの光と自然光の一方又は両方が被検出物に対して照射され、該被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、可視光である。 In addition, all the light applied to the first photodiode 802A between the time T1 and the time T16 also indicates reflected light. That is, it is assumed that one or both of light from the light source and natural light is irradiated on the object to be detected and reflected from the object to be detected. The reflected light is visible light.
時刻T5において、被検出物で反射した第1の反射による反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス902では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を第1の反射終了時刻とする。一方、信号線12Aは”H”のまま維持する。 At time T5, the incident of the reflected light by the first reflection reflected by the detection object to the imaging device is completed. The pulse 902 changes from “H” (irradiation) to “L” (non-irradiation). This time is set as the first reflection end time. On the other hand, the signal line 12A is maintained at “H”.
なお、信号線12Bを”L”とする際、信号線12Bとノード14Bとの間における寄生容量により、ノード14Bの電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、第1の撮像及び第2の撮像において、第2のフォトダイオード802Bで、生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って寄生容量の影響を低減するために、第3のトランジスタ803Bのゲート電極−ソース電極間容量、又は第3のトランジスタ803Bのゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード14Bに保持容量を接続する、などの対策が有効である。本発明の一態様に係る第2のフォトセンサ800Bでは、これらの対策を施し、寄生容量に起因するノード14Bの電位変化は無視できるものとしている。 Note that when the signal line 12B is set to “L”, the potential of the node 14B changes due to the parasitic capacitance between the signal line 12B and the node 14B. When the potential change is large, the generated photocurrent cannot be accurately acquired by the second photodiode 802B in the first imaging and the second imaging. Therefore, in order to reduce the influence of the parasitic capacitance, a storage capacitor is connected to the node 14B, which reduces the capacitance between the gate electrode and the source electrode of the third transistor 803B or the capacitance between the gate electrode and the drain electrode of the third transistor 803B. It is effective to take measures such as In the second photosensor 800B according to one embodiment of the present invention, these countermeasures are taken so that the potential change of the node 14B due to the parasitic capacitance can be ignored.
なお、本発明の一態様に係る第1のフォトセンサ800Aの場合も同様の対策を施してある。 Note that the same measures are taken for the first photosensor 800A according to one embodiment of the present invention.
時刻T6において、信号線13Bを”H”とする(第1の読み出し開始)。この時、第2のトランジスタ805Bが導通する。また、信号線15及び信号線16Bが、第1のトランジスタ804B、第2のトランジスタ805Bを介して、導通する。すると、信号線16Bの電位は低下していく。なお、時刻T6以前に、信号線16Bには、予めプリチャージ動作を施し、”H”としておく。 At time T6, the signal line 13B is set to “H” (first reading start). At this time, the second transistor 805B is turned on. In addition, the signal line 15 and the signal line 16B are brought into conduction through the first transistor 804B and the second transistor 805B. Then, the potential of the signal line 16B decreases. Prior to time T6, the signal line 16B is pre-charged in advance and set to “H”.
信号線16にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。該読み出し回路は、図13に示す読み出し回路401のように、1個のPchトランジスタ406で構成することも可能である。 The configuration of the readout circuit that performs the precharge operation on the signal line 16 is not particularly limited. The readout circuit can also be constituted by one Pch transistor 406 as in the readout circuit 401 shown in FIG.
時刻T7において、信号線13Bを”L”とする(第1の読み出し終了)。すると、第2のトランジスタ805Bが遮断され、信号線16Bの電位は、一定となる。時刻T7での信号線16Bの電位(VS1)は、時刻T6〜時刻T7での、信号線16Bの電位変化の速度に依存する。 At time T7, the signal line 13B is set to “L” (end of the first reading). Then, the second transistor 805B is cut off, and the potential of the signal line 16B becomes constant. The potential (V S1 ) of the signal line 16B at time T7 depends on the speed of change in potential of the signal line 16B from time T6 to time T7.
信号線16の電位変化の速度は、第1のトランジスタ804のソース電極−ドレイン電極間の電流に依存する。即ち第1の撮像においては、時刻T3〜時刻T4での第2のフォトダイオード802Bに照射される反射光(赤外光)の強度及び照射時間に依存する。第2の撮像においては、時刻T11〜時刻T12での第2のフォトダイオード802Bに照射される反射光(赤外光)の強度及び照射時間に依存する。第3の撮像においては、時刻T3〜時刻T16での第1のフォトダイオード802Aに照射される反射光(可視光)の強度及び照射時間に依存する。 The speed of the potential change of the signal line 16 depends on the current between the source electrode and the drain electrode of the first transistor 804. That is, in the first imaging, it depends on the intensity and irradiation time of the reflected light (infrared light) irradiated to the second photodiode 802B from time T3 to time T4. In the second imaging, it depends on the intensity of the reflected light (infrared light) irradiated to the second photodiode 802B at time T11 to time T12 and the irradiation time. In the third imaging, it depends on the intensity and irradiation time of the reflected light (visible light) irradiated to the first photodiode 802A from time T3 to time T16.
同一照射時間であれば、反射光強度が大きいほど、信号線16Bの電位変化の速度は遅くなる。また、光の強度が同一であれば、反射光検出期間が長いほど、信号線16Bの電位変化の速度は遅くなる。信号線16Bの電位変化の速度が遅いほど、信号線16Bの電位(VS1、VS2)は大きくなる。 For the same irradiation time, the higher the reflected light intensity, the slower the potential change speed of the signal line 16B. If the light intensity is the same, the longer the reflected light detection period, the slower the potential change speed of the signal line 16B. The slower the potential change speed of the signal line 16B, the higher the potential (V S1 , V S2 ) of the signal line 16B.
同一照射時間であれば、反射光強度が大きいほど、信号線16Aの電位変化の速度は遅くなる。また、光の強度が同一であれば、反射光検出期間が長いほど、信号線16Aの電位変化の速度は遅くなる。信号線16Aの電位変化の速度が遅いほど、信号線16Aの電位(VS3)は大きくなる。 For the same irradiation time, the higher the reflected light intensity, the slower the potential change speed of the signal line 16A. If the light intensity is the same, the longer the reflected light detection period, the slower the potential change speed of the signal line 16A. The slower the potential change rate of the signal line 16A, the higher the potential (V S3 ) of the signal line 16A.
ノード14の電位と、信号線16の電位の関係について説明する。フォトダイオード802に照射される光の強度が大きいと、一定期間内でのノード14の電位変化は大きくなるため、ノード14の電位の値は低くなる。この時、第1のトランジスタ804のチャネル抵抗が高くなるため、信号線16の電位変化の速度は遅くなる。従って、一定期間内での信号線16の電位変化は小さくなるため、信号線16の電位の値は高くなる。 A relationship between the potential of the node 14 and the potential of the signal line 16 will be described. When the intensity of light applied to the photodiode 802 is high, the potential change of the node 14 within a certain period increases, so the value of the potential of the node 14 decreases. At this time, since the channel resistance of the first transistor 804 is increased, the speed of the potential change of the signal line 16 is decreased. Accordingly, since the potential change of the signal line 16 within a certain period becomes small, the potential value of the signal line 16 becomes high.
第1の反射光検出により、時刻T7における信号線16Bの電位(VS1)を取得することで、第1の撮像期間に第2のフォトダイオード802Bに照射された反射光の量(入射した光の強度の時間積)を検出し、検出信号S1を得ることができる。ここで、第1の照射における光の強度を一定とし、第1の反射による反射光のみ照射されたとすると、信号線16Bの電位(VS1)は、第1の反射光検出期間に概ね比例する。 By acquiring the potential (V S1 ) of the signal line 16B at the time T7 by the first reflected light detection, the amount of reflected light irradiated to the second photodiode 802B during the first imaging period (incident light Detection signal S1 can be obtained. Here, assuming that the intensity of light in the first irradiation is constant and only the reflected light by the first reflection is irradiated, the potential (V S1 ) of the signal line 16B is approximately proportional to the first reflected light detection period. .
時刻T8において、光源から被検出物に対して第2の光の照射を開始する。パルス901は、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を第2の照射開始時刻とする。また信号線12Aを”H”のまま維持する。 At time T8, irradiation of the second light from the light source to the object to be detected is started. The pulse 901 changes from “L” (non-irradiation) to “H” (irradiation). This time is set as the second irradiation start time. Further, the signal line 12A is maintained at “H”.
時刻T9において、光源から発せされた第2の照射光が被検出物で反射し、第2の反射光が撮像装置に入射し始める。パルス902は、”L”(非照射)から”H”(照射)になる。該時刻を第2の反射開始時刻とする。 At time T9, the second irradiation light emitted from the light source is reflected by the detection object, and the second reflected light starts to enter the imaging apparatus. The pulse 902 changes from “L” (non-irradiation) to “H” (irradiation). This time is set as the second reflection start time.
時刻T10において、信号線11Bを”H”とし、さらに、信号線12Bを”H”とする(3次元撮像における第2のリセット)。この時、第2のフォトダイオード802B及び第3のトランジスタ803Bが導通し、ノード14Bが”H”となる。 At time T10, the signal line 11B is set to “H”, and the signal line 12B is set to “H” (second reset in three-dimensional imaging). At this time, the second photodiode 802B and the third transistor 803B are turned on, and the node 14B becomes “H”.
時刻T11において、光源から被検出物に対する第2の光の照射を終了する。パルス901では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を第2の照射終了時刻とする。信号線11Bを”L”とし、信号線12Bを”H”のまま維持する(第2の撮像開始)。なお、この第2の撮像開始時刻は、第2の照射終了時刻と一致する。また、時刻T11は、第2の反射光検出開始時刻でもある。時刻T11で反射光の検出を開始することができる。また、信号線12Aを”H”のまま維持する。 At time T11, the irradiation of the second light from the light source to the detected object is terminated. The pulse 901 changes from “H” (irradiation) to “L” (non-irradiation). This time is set as the second irradiation end time. The signal line 11B is set to “L”, and the signal line 12B is kept “H” (second imaging starts). Note that the second imaging start time coincides with the second irradiation end time. The time T11 is also the second reflected light detection start time. Detection of reflected light can be started at time T11. Further, the signal line 12A is maintained at “H”.
時刻T11〜時刻T12の間(第2の反射光検出期間)に、第2の反射光の強度に応じて、ノード14Bの電位は変化する。第2のフォトダイオード802Bのオフ電流に起因して、ノード14Bの電位が”H”より低下し始める。オフ電流は、第2のフォトダイオード802Bに照射される反射光の強度及び照射時間に比例する。従って、反射光強度及び反射光検出期間に依存して、ノード14Bの電位も変化する。 During time T11 to time T12 (second reflected light detection period), the potential of the node 14B changes according to the intensity of the second reflected light. Due to the off-state current of the second photodiode 802B, the potential of the node 14B starts to be lower than “H”. The off-current is proportional to the intensity of the reflected light and the irradiation time applied to the second photodiode 802B. Therefore, the potential of the node 14B also changes depending on the reflected light intensity and the reflected light detection period.
なお、本実施の形態においては、一例として、第1の反射光検出期間(時刻T3〜時刻T4)に比べて、第2の反射光検出期間(時刻T11〜時刻T12)は短い場合を示している。そのため、第1の撮像時のノード14の電位変化に比べて、第2の撮像時のノード14の電位変化は小さい。 In the present embodiment, as an example, the second reflected light detection period (time T11 to time T12) is shorter than the first reflected light detection period (time T3 to time T4). Yes. For this reason, the potential change of the node 14 during the second imaging is smaller than the potential change of the node 14 during the first imaging.
時刻T12において、被検出物で反射した第2の反射による反射光の撮像装置への入射が終了する。パルス902では、”H”(照射)から”L”(非照射)になる。該時刻を第2の反射終了時刻とする。また、時刻T12は、第2の反射光検出終了時刻でもある。一方、信号線12Aは”H”のまま維持する。 At time T12, the incident of the reflected light by the second reflection reflected by the object to be detected on the imaging device is completed. The pulse 902 changes from “H” (irradiation) to “L” (non-irradiation). This time is set as the second reflection end time. The time T12 is also the second reflected light detection end time. On the other hand, the signal line 12A is maintained at “H”.
なお、ノード14Bの電位は、時刻T12以後は一定となる。時刻T12でのノード14Bの電位(V2)は、第2の反射光検出の間に第2のフォトダイオード802Bが、生成した光電流に依存する。つまり、反射光強度等に応じて決定される。一方、ノード14Aの電位は低下し続ける。 Note that the potential of the node 14B is constant after the time T12. The potential (V2) of the node 14B at the time T12 depends on the photocurrent generated by the second photodiode 802B during the second reflected light detection. That is, it is determined according to the reflected light intensity or the like. On the other hand, the potential of the node 14A continues to decrease.
また、時刻T12でのノード14の電位(V2)に応じて、第2の検出信号が決定する。第2の反射光検出期間が短いほど、ノード14の電位変化は小さいため、時刻T12でのノード14の電位(V2)は大きくなる。 Further, the second detection signal is determined in accordance with the potential (V2) of the node 14 at the time T12. The shorter the second reflected light detection period, the smaller the potential change of the node 14, and thus the potential (V 2) of the node 14 at time T 12 becomes larger.
時刻T13において、信号線12Bを”L”とする。この時、第2の撮像が終了する。 At time T13, the signal line 12B is set to “L”. At this time, the second imaging is finished.
このように、第2の照射終了と同時に第2の撮像開始とし、第1の撮像と同時間の撮像後に第2の撮像を終了するように、信号線11B及び信号線12Bの電位を制御する。 In this way, the potentials of the signal line 11B and the signal line 12B are controlled so that the second imaging starts at the same time as the second irradiation ends and the second imaging ends after the first imaging. .
なお、時刻T10〜時刻T13の間に、第2のフォトダイオード802Bに照射される光とは、全て第2の反射による反射光を指すものとする。即ち光源から被検出物に光が照射され、被検出物から反射された光を指すものとする。なお当該反射光は、赤外光である。 Note that the light applied to the second photodiode 802B between time T10 and time T13 is all reflected light by the second reflection. That is, it refers to light that is irradiated from the light source to the detected object and reflected from the detected object. The reflected light is infrared light.
時刻T14において、信号線13Bを”H”とする(第2の読み出し開始)。この時、第2のトランジスタ805Bが導通する。また、信号線15及び信号線16Bが、第1のトランジスタ804B、第2のトランジスタ805Bを介して、導通する。すると、信号線16Bの電位は低下していく。なお、時刻T14以前に、信号線16Bには、予めプリチャージ動作を施し、”H”としておく。 At time T14, the signal line 13B is set to “H” (second read start). At this time, the second transistor 805B is turned on. In addition, the signal line 15 and the signal line 16B are brought into conduction through the first transistor 804B and the second transistor 805B. Then, the potential of the signal line 16B decreases. Prior to time T14, the signal line 16B is pre-charged in advance and set to “H”.
時刻T15において、信号線13Bを”L”とする(第2の読み出し終了)。すると、第2のトランジスタ805Bが遮断され、信号線16Bの電位は、一定となる。時刻T15での信号線16Bの電位(VS2)は、時刻T14〜時刻T15での、信号線16Bの電位変化の速度に依存する。 At time T15, the signal line 13B is set to “L” (end of second reading). Then, the second transistor 805B is cut off, and the potential of the signal line 16B becomes constant. The potential (V S2 ) of the signal line 16B at time T15 depends on the speed of change in potential of the signal line 16B from time T14 to time T15.
従って、第2の反射光検出により、時刻T15における信号線16Bの電位(VS2)を取得することで、第2の撮像期間に第2のフォトダイオード802Bに照射された反射光の量(入射した光の強度の時間積)を検出し、検出信号S2を得ることができる。ここで、第2の照射における光の強度を一定とし、第2の反射による反射光のみ照射されたとすると、信号線16Bの電位(VS2)は、第2の反射光検出期間に概ね比例する。 Therefore, by acquiring the potential (V S2 ) of the signal line 16B at the time T15 by detecting the second reflected light, the amount of incident light (incident on the second photodiode 802B during the second imaging period). Detection signal S2 can be obtained. Here, assuming that the intensity of light in the second irradiation is constant and only the reflected light by the second reflection is irradiated, the potential (V S2 ) of the signal line 16B is approximately proportional to the second reflected light detection period. .
なお、本実施の形態においては、第1の反射光検出期間(時刻T3〜時刻T4)に比べて、第2の反射光検出期間(時刻T11〜時刻T12)は短いため、時刻T15における信号線16Bの電位(VS2)は、時刻T7における信号線16Bの電位(VS1)に比べて小さい。 In the present embodiment, since the second reflected light detection period (time T11 to time T12) is shorter than the first reflected light detection period (time T3 to time T4), the signal line at time T15. The potential (V S2 ) of 16B is smaller than the potential (V S1 ) of the signal line 16B at time T7.
時刻T15において、第1の撮像により検出信号S1を、第2の撮像により検出信号S2を得ることができるため、TOF方式を適用した3次元撮像が可能になる。 At time T15, the detection signal S1 can be obtained by the first imaging, and the detection signal S2 can be obtained by the second imaging. Therefore, three-dimensional imaging using the TOF method can be performed.
時刻T16において、信号線12Aを”L”とする。この時、第3の撮像が終了する。 At time T16, the signal line 12A is set to “L”. At this time, the third imaging is finished.
時刻T17において、信号線13Aを”H”とする(第3の読み出し開始)。この時、第2のトランジスタ805Aが導通する。また、信号線15及び信号線16Aが、第1のトランジスタ804A、第2のトランジスタ805Aを介して、導通する。すると、信号線16Aの電位は低下していく。なお、時刻T17以前に、信号線16Aには、予めプリチャージ動作を施し、”H”としておく。 At time T17, the signal line 13A is set to “H” (start of third reading). At this time, the second transistor 805A is turned on. In addition, the signal line 15 and the signal line 16A are brought into conduction through the first transistor 804A and the second transistor 805A. Then, the potential of the signal line 16A decreases. Prior to time T17, the signal line 16A is pre-charged in advance and set to “H”.
時刻T18において、信号線13Aを”L”とする(第3の読み出し終了)。すると、第2のトランジスタ805Aが遮断され、信号線16Aの電位は、一定となる。時刻T18での信号線16Aの電位(VS3)は、時刻T3〜時刻T16での、信号線16Aの電位変化の速度に依存する。 At time T18, the signal line 13A is set to “L” (end of the third reading). Then, the second transistor 805A is cut off, and the potential of the signal line 16A becomes constant. The potential (V S3 ) of the signal line 16A at time T18 depends on the speed of change in potential of the signal line 16A from time T3 to time T16.
第1のフォトダイオード802Aに照射される反射光(可視光)の検出(第3の反射光検出)により、時刻T18における信号線16Aの電位(VS3)を取得することで、第3の撮像期間に第1のフォトダイオード802Aに照射された反射光の量(入射した光の強度の時間積)を検出し、検出信号S3を得ることができる。ここで、光源からの光と自然光の一方又は両方の強度を一定とすると、信号線16Aの電位(VS3)は、第3の反射光検出期間に概ね比例する。 By acquiring the potential (V S3 ) of the signal line 16A at time T18 by detecting reflected light (visible light) irradiated to the first photodiode 802A (third reflected light detection), the third imaging is performed. The amount of reflected light (the time product of the intensity of the incident light) irradiated to the first photodiode 802A during the period can be detected, and the detection signal S3 can be obtained. Here, if the intensity of one or both of light from the light source and natural light is constant, the potential (V S3 ) of the signal line 16A is approximately proportional to the third reflected light detection period.
時刻T18において、第3の撮像により検出信号S3を得ることができるため、2次元撮像を行っている間に、TOF方式を適用した3次元撮像を行うことが可能になる。 Since the detection signal S3 can be obtained by the third imaging at the time T18, it is possible to perform the three-dimensional imaging using the TOF method while performing the two-dimensional imaging.
図12は、フォトセンサ800における、パルス901、パルス902、信号線12Aのパルス、信号線12Bのパルスである。図12を参照しながら、駆動方法の特徴について明記する。第1の撮像期間内の第1の反射光検出期間に第3のトランジスタ803Bのゲート電極の電位を”H”となるように、且つ第2の撮像期間内の第2の反射光検出期間に第3のトランジスタ803Bのゲート電極の電位を”H”となるように、且つ、第1の撮像期間及び第2の撮像期間を包括する期間に、第3のトランジスタ803Aのゲート電極の電位を”H”となるように制御する。これより、2次元撮像中に3次元撮像を行うことが可能である。 FIG. 12 shows a pulse 901, a pulse 902, a pulse of the signal line 12A, and a pulse of the signal line 12B in the photosensor 800. The features of the driving method will be described with reference to FIG. The potential of the gate electrode of the third transistor 803B is set to “H” in the first reflected light detection period in the first imaging period, and in the second reflected light detection period in the second imaging period. The potential of the gate electrode of the third transistor 803A is set to “H” so that the potential of the gate electrode of the third transistor 803B is “H” and includes the first imaging period and the second imaging period. Control to be H ”. Thus, it is possible to perform 3D imaging during 2D imaging.
図12に示す各パルスを比較しながら、照射期間、反射期間、撮像期間、反射光検出期間、のように、各期間に分けて説明する。 While comparing each pulse shown in FIG. 12, description will be made separately for each period such as an irradiation period, a reflection period, an imaging period, and a reflected light detection period.
パルス901に示すように、時刻T2は、第1の照射開始時刻、時刻T4は、第1の照射終了時刻、時刻T2〜時刻T4は、第1の照射期間である。時刻T8は、第2の照射開始時刻、時刻T11は、第2の照射終了時刻、時刻T8〜時刻T11は、第2の照射期間である。開示する発明の一態様において、第1の照射期間及び第2の照射期間は、必ず等しくする必要がある。 As shown in the pulse 901, the time T2 is the first irradiation start time, the time T4 is the first irradiation end time, and the times T2 to T4 are the first irradiation period. Time T8 is the second irradiation start time, time T11 is the second irradiation end time, and time T8 to time T11 are the second irradiation period. In one embodiment of the disclosed invention, the first irradiation period and the second irradiation period are necessarily equal.
パルス902に示すように、時刻T3は、第1の反射開始時刻、時刻T5は、第1の反射終了時刻、時刻T3〜時刻T5は、第1の反射期間である。時刻T9は、第2の反射開始時刻、時刻T12は、第2の反射終了時刻、時刻T9〜時刻T12は、第2の反射期間である。反射期間は、照射期間と等しくなる。 As shown in the pulse 902, the time T3 is the first reflection start time, the time T5 is the first reflection end time, and the times T3 to T5 are the first reflection period. Time T9 is the second reflection start time, time T12 is the second reflection end time, and time T9 to time T12 are the second reflection period. The reflection period is equal to the irradiation period.
即ち、第1の照射期間及び第2の照射期間は等しく、第1の反射期間及び第2の反射期間は等しい。 That is, the first irradiation period and the second irradiation period are equal, and the first reflection period and the second reflection period are equal.
信号線12Bのパルス(TX_3)に示すように、時刻T2は、第1の撮像開始時刻、時刻T4は、第1の撮像終了時刻、時刻T2〜時刻T4は、第1の撮像期間である。また、時刻T3は、第1の反射光検出開始時刻、時刻T4は、第1の反射光検出終了時刻、時刻T3〜時刻T4は、第1の反射光検出期間である。 As shown in the pulse (TX_3) of the signal line 12B, time T2 is the first imaging start time, time T4 is the first imaging end time, and time T2 to time T4 are the first imaging period. Time T3 is the first reflected light detection start time, time T4 is the first reflected light detection end time, and time T3 to time T4 are the first reflected light detection period.
第1の撮像は、少なくとも第1の反射期間より前に開始されなければならない。また、第1の撮像は、第1の照射期間終了と同時に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線11B及び信号線12Bの電位を制御する。 The first imaging must be started at least before the first reflection period. Further, the first imaging must be completed simultaneously with the end of the first irradiation period. In this manner, the potentials of the signal line 11B and the signal line 12B are controlled so that the timing of the imaging period is determined.
さらに、信号線12Aのパルス(TX_2)に示すように、時刻T11は、第2の撮像開始時刻、時刻T13は、第2の撮像終了時刻、時刻T11〜時刻T13は、第2の撮像期間である。また、時刻T11は、第2の反射光検出開始時刻、時刻T12は、第2の反射光検出終了時刻、時刻T11〜時刻T12は、第2の反射光検出期間である。 Furthermore, as indicated by the pulse (TX_2) of the signal line 12A, time T11 is the second imaging start time, time T13 is the second imaging end time, and time T11 to time T13 are the second imaging period. is there. Time T11 is the second reflected light detection start time, time T12 is the second reflected light detection end time, and time T11 to time T12 are the second reflected light detection period.
第2の撮像は、第2の照射期間終了と同時に開始されなければならない。また、第2の撮像は、少なくとも第2の反射期間より後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線11B及び信号線12Bの電位を制御する。 The second imaging must be started simultaneously with the end of the second irradiation period. Also, the second imaging must end at least after the second reflection period. In this manner, the potentials of the signal line 11B and the signal line 12B are controlled so that the timing of the imaging period is determined.
即ち、第1の反射期間に対応させて、第1の撮像期間を決定し、第2の反射期間に対応させて、第2の撮像期間を決定することで、反射光検出を2回に分離する。 That is, the first imaging period is determined corresponding to the first reflection period, and the second imaging period is determined corresponding to the second reflection period, so that the reflected light detection is separated twice. To do.
次に、信号線12Aのパルス(TX_2)に示すように、時刻T2は、第3の撮像開始時刻、時刻T16は、第3の撮像終了時刻、時刻T2〜時刻T16は、第3の撮像期間である。また、時刻T3は、第3の反射光検出開始時刻、時刻T16は、第3の反射光検出終了時刻、時刻T3〜時刻T16は、第3の反射光検出期間である。 Next, as shown in the pulse (TX_2) of the signal line 12A, time T2 is the third imaging start time, time T16 is the third imaging end time, and time T2 to time T16 are the third imaging period. It is. Time T3 is the third reflected light detection start time, time T16 is the third reflected light detection end time, and time T3 to time T16 are the third reflected light detection period.
第3の撮像は、第1の撮像期間と同時、あるいは少なくとも第1の撮像期間より前に開始されなければならない。また、第3の撮像は、第2の撮像期間と同時、あるいは少なくとも第2の撮像期間より後に終了しなければならない。このように撮像期間のタイミングが決定されるように、信号線11A及び信号線12Aの電位を制御する。 The third imaging must be started simultaneously with the first imaging period, or at least before the first imaging period. Further, the third imaging must end at the same time as the second imaging period or at least after the second imaging period. Thus, the potentials of the signal line 11A and the signal line 12A are controlled so that the timing of the imaging period is determined.
即ち、第1の撮像期間及び第2の撮像期間を包括するように、第3の撮像期間を決定することで、2次元撮像中に3次元撮像を行うことができる。 That is, by determining the third imaging period so as to include the first imaging period and the second imaging period, it is possible to perform three-dimensional imaging during two-dimensional imaging.
なお、開示する発明の一態様において第1の反射光検出期間は、第1の照射期間及び第1の反射期間が重なる期間に等しく、正味の第1の撮像期間となる。また、第2の反射光検出期間は、第2の照射期間後の第2の反射期間に等しく、正味の第2の撮像期間となる。第1の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第1の検出信号を取得し、第2の反射光検出から、光の遅延時間に依存した第2の検出信号を取得する。これより撮像装置から、被検出物までの距離を測定することができる(3次元撮像)。 Note that in one embodiment of the disclosed invention, the first reflected light detection period is equal to a period in which the first irradiation period and the first reflection period overlap with each other, and is a net first imaging period. Further, the second reflected light detection period is equal to the second reflection period after the second irradiation period, and is a net second imaging period. A first detection signal depending on the light delay time is obtained from the first reflected light detection, and a second detection signal depending on the light delay time is obtained from the second reflected light detection. Thus, the distance from the imaging device to the object to be detected can be measured (three-dimensional imaging).
また、第3の反射光検出期間は、第1の撮像期間及び第2の撮像期間を包括する。第3の反射光検出から、第3の検出信号を取得することで、被検出物の明るさ、色彩等を取得することができる(2次元撮像)。 In addition, the third reflected light detection period includes a first imaging period and a second imaging period. By acquiring the third detection signal from the third reflected light detection, the brightness, color, and the like of the detection object can be acquired (two-dimensional imaging).
次に、TOF方式を適用した3次元撮像による距離測定方法について説明する。第1の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存する第1の検出信号S1及び第2の反射光検出から取得した光の遅延時間に依存した第2の検出信号S2を用いて、撮像装置から被検出物までの距離を測定する方法について計算式を用いて示す。 Next, a distance measurement method using three-dimensional imaging using the TOF method will be described. Imaging using the first detection signal S1 that depends on the delay time of the light acquired from the first reflected light detection and the second detection signal S2 that depends on the delay time of the light acquired from the second reflected light detection A method for measuring the distance from the apparatus to the object to be detected will be described using a calculation formula.
ここで、第1の照射及び第2の照射における光の強度を一定とし、第1の撮像期間及び第2の撮像期間には、第2のフォトダイオード802Bに各々第1の反射光及び第2の反射光のみ入射したとすると、信号線16Bの電位(VS1)は、第1の反射光検出期間に概ね比例し、信号線16Bの電位(VS2)は、第2の反射光検出期間に概ね比例する。 Here, the intensity of light in the first irradiation and the second irradiation is constant, and the first reflected light and the second light are applied to the second photodiode 802B in the first imaging period and the second imaging period, respectively. As a result, the potential (V S1 ) of the signal line 16B is approximately proportional to the first reflected light detection period, and the potential (V S2 ) of the signal line 16B is equal to the second reflected light detection period. Is roughly proportional to
即ち、第1の撮像により得られる第1の検出信号S1は、第1の反射光検出期間に概ね依存し、第2の撮像により得られる第2の検出信号S2は、第2の反射光検出期間に概ね依存する。 That is, the first detection signal S1 obtained by the first imaging generally depends on the first reflected light detection period, and the second detection signal S2 obtained by the second imaging is the second reflected light detection. It largely depends on the period.
第1の検出信号S1及び第2の検出信号S2は比例定数α、照射期間T、遅延時間Δtを用いてそれぞれ数式(2)(3)で表すことができる。 The first detection signal S1 and the second detection signal S2 can be expressed by equations (2) and (3), respectively, using a proportional constant α, an irradiation period T, and a delay time Δt.
数式(2)(3)より、比例定数αを消去すると、数式(4)に示すように、遅延時間Δtが得られる。 When the proportionality constant α is eliminated from the equations (2) and (3), the delay time Δt is obtained as shown in the equation (4).
さらに、前述の、光源から被検出物までの距離xの式(x=(c×Δt)/2)と、数式(4)を利用すると撮像装置から、被検出物までの距離xは、数式(1)で表すことができる。 Furthermore, when using the above-described equation (x = (c × Δt) / 2) for the distance x from the light source to the object to be detected and Equation (4), the distance x from the imaging device to the object to be detected is It can be represented by (1).
これより、第1の検出信号S1及び第2の検出信号S2が得られれば、撮像装置から、被検出物までの距離xを得ることができる。 Thus, if the first detection signal S1 and the second detection signal S2 are obtained, the distance x from the imaging device to the detected object can be obtained.
また、光源から光の照射を行わない期間に、第2のフォトセンサ800Bによって第4の撮像を行ってもよい。この場合、第4の撮像により第4の検出信号S4が得られる。第1の検出信号S1から第4の検出信号S4を差し引き、さらに、第2の検出信号S2から第4の検出信号S4を差し引き、これらを改めて上記数式(1)における、検出信号S1及び検出信号S2とすることで、自然光の影響を取り除くことができる。 Further, the fourth imaging may be performed by the second photosensor 800B during a period in which light irradiation from the light source is not performed. In this case, the fourth detection signal S4 is obtained by the fourth imaging. The fourth detection signal S4 is subtracted from the first detection signal S1, and further, the fourth detection signal S4 is subtracted from the second detection signal S2, and the detection signal S1 and the detection signal in Equation (1) are renewed. By setting to S2, the influence of natural light can be removed.
これより、少ない素子数でフォトセンサを構成し、該フォトセンサを搭載した撮像装置において駆動方法を工夫することで、2次元撮像を行っている間にTOF方式を適用した3次元撮像を実現でき、2次元情報及び3次元情報を同時に取得する撮像装置としての機能を果たすことができることがわかる。従って、TOF方式を適用した場合に発生するフォトセンサの素子数が増大するという問題を解決し、画素の微細化に有利な撮像装置の実現が可能になる。 By configuring a photosensor with a small number of elements and devising a driving method in an imaging device equipped with the photosensor, it is possible to realize 3D imaging using the TOF method during 2D imaging. It turns out that the function as an imaging device which acquires 2D information and 3D information simultaneously can be fulfilled. Therefore, it is possible to solve the problem that the number of elements of the photosensor generated when the TOF method is applied, and to realize an imaging device advantageous for pixel miniaturization.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態5)
本実施の形態では、TOF方式を適用した撮像装置を有する動作認識装置を、携帯電話機に適用した例について図14を用いて説明する。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an example in which a motion recognition device having an imaging device to which the TOF method is applied is applied to a mobile phone will be described with reference to FIG.
図14は、表示部に撮像装置を搭載した携帯電話機5000の概略構成図である。表示部に撮像装置を搭載することで、携帯電話機5000に占める表示部の面積をより大きくし、より高精度な3次元距離画像及びカラー画像を取得することが可能になる。なお、携帯電話機の表示部以外の場所に撮像装置を搭載することも可能であり、携帯電話機の表示部と、表示部以外の両方の場所に撮像装置を搭載することも可能である。いずれの場合においても、開示する発明の一態様によれば、被検出物に光を照射することにより3次元距離画像及びカラー画像を取得することができる。 FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a mobile phone 5000 in which an imaging device is mounted on the display unit. By mounting the imaging device on the display unit, it is possible to increase the area of the display unit in the mobile phone 5000 and obtain a more accurate three-dimensional distance image and color image. Note that the imaging device can be mounted in a place other than the display unit of the mobile phone, and the imaging device can be mounted in both the display unit and the display unit of the mobile phone. In any case, according to one embodiment of the disclosed invention, it is possible to acquire a three-dimensional distance image and a color image by irradiating the detection object with light.
図14において、携帯電話機5000の表示部は、表示情報を表示する機能の他、被検出物の3次元距離画像及びカラー画像を取得する機能を有する。従って、携帯電話機5000の外部に、カメラを別に設ける必要がないため、簡易な構成を有することができる。 In FIG. 14, the display unit of the mobile phone 5000 has a function of acquiring a three-dimensional distance image and a color image of an object to be detected in addition to a function of displaying display information. Accordingly, it is not necessary to provide a separate camera outside the mobile phone 5000, so that a simple configuration can be provided.
図14(A)に示すように携帯電話機5000は、スピーカー5001、筐体5002、筐体5002に組み込まれた表示部5003、操作ボタン5004などによって構成されている。 As shown in FIG. 14A, a cellular phone 5000 includes a speaker 5001, a housing 5002, a display portion 5003 incorporated in the housing 5002, operation buttons 5004, and the like.
図14では一例として、操作者のジェスチャー(例えば、ハンドジェスチャー)による携帯電話機5000の操作を示す。認識範囲5005で操作者が、携帯電話機5000に直接触れることなくジェスチャーを行うことによって、携帯電話機5000を操作することが可能である。なお、認識範囲5005は表示部5003の直上とする。 FIG. 14 shows an operation of the cellular phone 5000 by an operator's gesture (for example, hand gesture) as an example. In the recognition range 5005, the operator can operate the mobile phone 5000 by performing a gesture without directly touching the mobile phone 5000. Note that the recognition range 5005 is directly above the display portion 5003.
図14(B)に示すように、表示部5003の認識範囲5005で、例えば操作者が「右手の人差し指を立てる」いう動作を行う場合、携帯電話機に発信番号1が入力される。 As shown in FIG. 14B, in the recognition range 5005 of the display portion 5003, for example, when the operator performs an operation of “raises the index finger of the right hand”, the calling number 1 is input to the mobile phone.
図14(C)に示すように、表示部5003の認識範囲5005で、例えば操作者が「右手の人差し指と中指を立てる」という動作を行う場合、携帯電話機に発信番号2が入力される。 As shown in FIG. 14C, in the recognition range 5005 of the display unit 5003, for example, when the operator performs an operation of “raises the index finger and middle finger of the right hand”, the calling number 2 is input to the mobile phone.
図14(D)に示すように、表示部5003の認識範囲5005で、例えば操作者が「右手の人差し指と中指と薬指を立てる」という動作を行う場合、携帯電話機に発信番号3が入力される。 As shown in FIG. 14D, in the recognition range 5005 of the display unit 5003, for example, when the operator performs an operation of “raises the index finger, middle finger and ring finger of the right hand”, the calling number 3 is input to the mobile phone. .
操作者は操作ボタン5004や、表示部5003に直接、指等で触れることなく、携帯電話機を操作することができる。即ち操作者はジェスチャーのみで、電話を掛ける、或いはメールを打つ、などのあらゆる操作を行うことができる。 An operator can operate the cellular phone without touching the operation button 5004 or the display portion 5003 with a finger or the like. In other words, the operator can perform all operations such as making a call or typing an e-mail with only a gesture.
携帯電話機5000に搭載される第1の記憶部には、特定物体パターンが格納され、第2の記憶部には特定動作パターンが格納されている。特定物体パターンとして、具体的には「右手の人差し指を立てる」、「右手の人差し指と中指を立てる」、「右手の人差し指と中指と薬指を立てる」などが挙げられる。なお、第1の記憶部に格納される特定物体パターン、第2の記憶部に格納される特定動作パターンは、操作者が任意に決定してよい。例えば、「両手を縦横に振る」、「両手を左右に回す」、などという操作者が日常的に用いるジェスチャーを特定動作パターンとして格納することで、操作者は、極めて直感的に携帯電話機5000を操作することが可能になる。 A specific object pattern is stored in the first storage unit mounted on the mobile phone 5000, and a specific operation pattern is stored in the second storage unit. Specific examples of the specific object pattern include “raise the index finger and middle finger of the right hand”, “raise the index finger and middle finger of the right hand”, and “raise the index finger, middle finger and ring finger of the right hand”. Note that the specific object pattern stored in the first storage unit and the specific operation pattern stored in the second storage unit may be arbitrarily determined by the operator. For example, by storing gestures that are routinely used by the operator such as “waving both hands vertically and horizontally” and “turning both hands to the left and right” as a specific operation pattern, the operator can make the mobile phone 5000 extremely intuitive. It becomes possible to operate.
携帯電話機5000に搭載される情報処理装置では、上述した特定動作パターンに基づいて、確実に操作が実行されるような処理を、携帯電話機に対して行う。 In the information processing apparatus mounted on the mobile phone 5000, processing that ensures the operation is performed on the mobile phone based on the specific operation pattern described above.
なお、表示部5003は透光性を有していても良い。 Note that the display portion 5003 may have a light-transmitting property.
携帯電話機5000は操作者の手の状態を選ばない。ハンドジェスチャーを行う操作者の手が汚れている、あるいはハンドジェスチャーを行う操作者が手袋をはめているとしても、携帯電話機5000の操作に不具合が生じることはない。認識範囲5005で操作者が、ハンドジェスチャーを行うことにより非接触で手軽に携帯電話機5000を操作できる。さらに、正確には手である必要もなく、棒を手の代わりに使っても問題なくジェスチャーを認識することができる。 The cellular phone 5000 does not choose the state of the operator's hand. Even if the hand of the operator who performs the hand gesture is dirty or the operator who performs the hand gesture wears gloves, there is no problem in the operation of the mobile phone 5000. In the recognition range 5005, the operator can easily operate the cellular phone 5000 in a non-contact manner by performing a hand gesture. Furthermore, it is not necessary to be a hand accurately, and gestures can be recognized without problems even if a stick is used instead of a hand.
なお、携帯電話機5000はカラー画像情報を認識することもできる。従って、例えば手袋の色によって、操作を変更させることも可能である。 Note that the mobile phone 5000 can also recognize color image information. Therefore, for example, the operation can be changed depending on the color of the glove.
また、操作者の手が高速に移動しても、携帯電話機5000は、歪みのない3次元距離画像を撮像し、容易に位置変化情報、形状変化情報を取得することができる。 Even when the operator's hand moves at high speed, the mobile phone 5000 can capture a three-dimensional distance image without distortion, and can easily acquire position change information and shape change information.
また、操作者に何らかの不具合が生じている場合であっても、携帯電話機5000を正常に操作することが可能である。例えば、義指、義肢(義手・義足)、等を用いて携帯電話機5000を操作することも可能である。 Further, even if the operator has some trouble, the cellular phone 5000 can be normally operated. For example, the cellular phone 5000 can be operated using a prosthetic finger, a prosthetic limb (prosthetic hand / prosthetic leg), and the like.
また、操作者が表示部5003に表示されている表示情報等を認識する能力が無い場合、例えば表示されている文字を理解できない、また表示情報自体を見ることができない(視覚障害者等)であってもジェスチャーに対応させて操作者の意図通りに、携帯電話機を操作することができる。 Further, when the operator does not have the ability to recognize the display information displayed on the display unit 5003, for example, the displayed characters cannot be understood, and the display information itself cannot be seen (such as visually impaired persons). Even if it exists, it is possible to operate the mobile phone in accordance with the gesture as intended by the operator.
従って、操作者の体に負担をかけず、且つ操作者の動作を制限することのない携帯電話機を提供することができる。また、操作者は、携帯電話機に直接触れることなく、簡単に操作を行える携帯電話機を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a mobile phone that does not place a burden on the operator's body and does not restrict the operation of the operator. In addition, the operator can provide a mobile phone that can be easily operated without directly touching the mobile phone.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態6)
本実施の形態では、TOF方式を適用した撮像装置を有する動作認識装置を、IHクッキングヒーターに適用した例について図15を、電子レンジに適用した例について図16を用いて説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an example in which an operation recognition device having an imaging device to which the TOF method is applied is applied to an IH cooking heater will be described with reference to FIG. 15, and an example in which the motion recognition device is applied to a microwave oven will be described with reference to FIG.
図15は、表示部に撮像装置を搭載したIHクッキングヒーター6000の概略構成図である。IHクッキングヒーターの表示部以外の場所に撮像装置を搭載することも可能であり、IHクッキングヒーターの表示部と、表示部以外の両方の場所に撮像装置を搭載することも可能である。いずれの場合においても、開示する発明の一態様によれば、被検出物に光(赤外光でも良い)を照射することにより3次元距離画像を取得することができる。 FIG. 15 is a schematic configuration diagram of an IH cooking heater 6000 in which an imaging device is mounted on the display unit. It is also possible to mount the imaging device in a place other than the display unit of the IH cooking heater, and it is also possible to mount the imaging device in both the display unit of the IH cooking heater and the display unit. In any case, according to one embodiment of the disclosed invention, a three-dimensional distance image can be acquired by irradiating light (or infrared light) to an object to be detected.
図15において、IHクッキングヒーター6000の表示部は、表示情報を表示する機能の他、被検出物の3次元距離画像を取得する機能、被検出物のカラー情報を取得する機能等を有する。従って、IHクッキングヒーター6000の外部に、カメラを別に設ける必要がないため、簡易な構成を有することができる。 In FIG. 15, the display unit of the IH cooking heater 6000 has a function of acquiring display information, a function of acquiring a three-dimensional distance image of the detection object, a function of acquiring color information of the detection object, and the like. Accordingly, since it is not necessary to provide a separate camera outside the IH cooking heater 6000, a simple configuration can be provided.
図15に示すようにIHクッキングヒーター6000は、表示部6001a、6001b、6001c、3口IHヒーター6002a、6002b、6002c、プレート6003、電源ランプ6004、操作ボタン6005、排気口6006、などによって構成されている。 As shown in FIG. 15, the IH cooking heater 6000 includes display units 6001a, 6001b, 6001c, three-port IH heaters 6002a, 6002b, 6002c, a plate 6003, a power lamp 6004, operation buttons 6005, an exhaust port 6006, and the like. .
図15では一例として、操作者のジェスチャー(例えばハンドジェスチャー)によるIHクッキングヒーター6000の操作を示す。認識範囲6007a、6007b、6007cで、操作者がIHクッキングヒーター6000に直接触れることなくジェスチャーを行うことによって、IHクッキングヒーター6000を操作することが可能である。 FIG. 15 shows an operation of the IH cooking heater 6000 by an operator's gesture (for example, a hand gesture) as an example. In the recognition ranges 6007a, 6007b, and 6007c, the operator can operate the IH cooking heater 6000 by performing a gesture without directly touching the IH cooking heater 6000.
なお認識範囲6007aは表示部6001aの直上、認識範囲6007bは表示部6001bの直上、認識範囲6007cは表示部6001cの直上とする。 Note that the recognition range 6007a is directly above the display portion 6001a, the recognition range 6007b is directly above the display portion 6001b, and the recognition range 6007c is directly above the display portion 6001c.
図15(A)に示すように、表示部6001aの認識範囲6007aで、例えば操作者が「右手の親指を立てて、前に押し込む」いう動作を行う場合、IHクッキングヒーター6000のIHヒーター6002aに電源が入り、電源ランプ6004がONに点灯する。 As shown in FIG. 15A, in the recognition range 6007a of the display unit 6001a, for example, when the operator performs an operation of “putting the thumb of the right hand and pushing forward”, the IH cooking heater 6000 is powered on. Enters and the power lamp 6004 is turned on.
図15(B)に示すように、表示部6001aの認識範囲6007aで、例えば操作者が「右手の人差し指と中指を立てて、前に押し込む」いう動作を行う場合、IHクッキングヒーター6000のIHヒーター6002aの電源が切れ、電源ランプ6004がOFFに点灯する。 As shown in FIG. 15B, in the recognition range 6007a of the display portion 6001a, for example, when the operator performs an operation of “holding the index finger and middle finger of the right hand and pushing forward”, the IH heater 6002a of the IH cooking heater 6000 Is turned off and the power lamp 6004 is turned off.
操作者は操作ボタン6005や、表示部6001に直接、指等で触れることなく、IHクッキングヒーターを操作することができる。即ち、操作者はジェスチャーのみで、IHヒーターの電源のON/OFF、IHヒーターの火力調整、自動電源OFFのためのタイマーセットなどのあらゆる操作を行うことができる。 The operator can operate the IH cooking heater without directly touching the operation button 6005 or the display unit 6001 with a finger or the like. That is, the operator can perform various operations such as turning on / off the power of the IH heater, adjusting the heating power of the IH heater, and setting a timer for automatically turning off the power with only a gesture.
IHクッキングヒーター6000に搭載される第1の記憶部には特定物体パターンが格納され、第2の記憶部には特定動作パターンが格納されている。特定物体パターンとして、具体的には、「右手の親指を立てる」、「右手の人差し指と中指を立てる」などが挙げられる。なお特定物体パターンには、カラー画像情報が含まれていても良い。カラー画像情報が含まれる場合、右手の指の形状パターンに加えて、指の色(肌色等)、爪の色(透明等)の情報等も付加される。また、特定動作パターンとして、具体的には「立てた右手の親指を前に押し込む」という動作、「立てた右手の人差し指と中指を前に押し込む」という動作などが挙げられる。 A specific object pattern is stored in the first storage unit mounted on the IH cooking heater 6000, and a specific operation pattern is stored in the second storage unit. Specific examples of the specific object pattern include “right thumb standing”, “right index finger and middle finger standing”, and the like. The specific object pattern may include color image information. When color image information is included, in addition to the finger shape pattern of the right hand, information such as finger color (skin color, etc.) and nail color (transparency, etc.) is also added. Further, specific operation patterns include an operation of “pushing the thumb of the right hand standing up”, an operation of “pushing the index finger and middle finger of the standing right hand forward”, and the like.
なお、第1の記憶部に格納される特定物体パターン、第2の記憶部に格納される特定動作パターンは、操作者が任意に決定してよい。例えば、操作者が「右手の中指で右回りに円を描く」という動作を行った場合、「IHクッキングヒーター6000の電源が入る」、「右手の中指で左回りに円を描く」という動作を行った場合、「IHクッキングヒーター6000の電源が切れる」という設定をする、操作者が「両手を前に出してから閉じる」という動作を行った場合、「IHクッキングヒーター6000のグリルで、両面自動焼きを行う」という設定をする、操作者が「片手を拳にして、左から右に移動する」という動作を行った場合、「IHクッキングヒーター6000の火力が1ステップずつ増加する」という設定をする、等のように各種パターンに対応する操作を、操作者が予め設定することにより、汎用的な制御機能を備えたインターフェース、メディアの制御及び操作をジェスチャーで行うアプリケーションを実現することが可能になる。 Note that the specific object pattern stored in the first storage unit and the specific operation pattern stored in the second storage unit may be arbitrarily determined by the operator. For example, when the operator performs an operation of “drawing a circle clockwise with the middle finger of the right hand”, an operation of “drawing a circle counterclockwise with the middle finger of the right hand” is performed. If the operator performs the setting of “IH cooking heater 6000 is turned off” or the operator performs the operation of “close both hands after putting both hands forward”, “double-sided automatic baking is performed on the grill of IH cooking heater 6000” If the operator performs an operation of “moving from left to right with one hand as a fist”, the setting of “the heating power of the IH cooking heater 6000 increases by one step”, etc. As described above, the operation corresponding to various patterns is preset by the operator so that the interface with the general-purpose control function and the media can be controlled. It is possible to realize an application to perform fine operation gesture.
また、操作者の手が高速に移動しても、IHクッキングヒーター6000は、歪みのない3次元距離画像を撮像し、容易に位置変化情報、形状変化情報を取得することができる。 Even if the operator's hand moves at high speed, the IH cooking heater 6000 can capture a three-dimensional distance image without distortion and easily acquire position change information and shape change information.
なお、ジェスチャーの種類として、操作者(人間)が行うジェスチャーのみに限られるものではない。物体の形や記号、文字、操作者が予め定めた何らかのオブジェクト等、多種多様な物体を模したジェスチャーを採用しても良い。 Note that the types of gestures are not limited to only gestures performed by an operator (human). You may employ | adopt the gesture imitating various objects, such as an object shape, a symbol, a character, and some object previously defined by the operator.
IHクッキングヒーター6000に搭載される情報処理装置では、上述した特定動作パターンに基づいて確実に操作が実行されるような処理を、IHクッキングヒーターに対して行う。 In the information processing apparatus mounted on the IH cooking heater 6000, processing is performed on the IH cooking heater so that the operation is reliably executed based on the specific operation pattern described above.
図16は、表示部に撮像装置を搭載した電子レンジ7000の概略構成図である。電子レンジの表示部以外の場所に撮像装置を搭載することも可能であり、電子レンジの表示部と、表示部以外の両方の場所に撮像装置を搭載することも可能である。いずれの場合においても、開示する発明の一態様によれば、被検出物に光を照射することにより3次元距離画像を取得することができる。 FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a microwave oven 7000 in which an imaging device is mounted on the display unit. It is also possible to mount the imaging device in a place other than the display portion of the microwave oven, and it is also possible to mount the imaging device in both locations other than the display portion of the microwave oven and the display portion. In any case, according to one embodiment of the disclosed invention, it is possible to acquire a three-dimensional distance image by irradiating the detection object with light.
図16において、電子レンジ7000の表示部は、表示情報を表示する機能の他、被検出物の3次元距離画像を取得する機能、被検出物のカラー情報を取得する機能を有する。従って、電子レンジ7000の外部に、カメラを別に設ける必要がないため、簡易な構成を有することができる。 In FIG. 16, the display unit of the microwave oven 7000 has a function of acquiring display information, a function of acquiring a three-dimensional distance image of the detection object, and a function of acquiring color information of the detection object. Therefore, since it is not necessary to provide a separate camera outside the microwave oven 7000, a simple configuration can be provided.
図16に示すように電子レンジ7000は、表示部7001、操作ボタン7002、透明覗き窓7003、開閉扉の取っ手7004、筐体7005、開閉扉7006、電源ランプ7008、などによって構成されている。 As shown in FIG. 16, the microwave oven 7000 includes a display portion 7001, operation buttons 7002, a transparent viewing window 7003, an opening / closing door handle 7004, a housing 7005, an opening / closing door 7006, a power lamp 7008, and the like.
図16では一例として、操作者のジェスチャー(例えばハンドジェスチャー)による電子レンジ7000の操作を示す。認識範囲7007で、操作者が電子レンジ7000に直接触れることなくジェスチャーを行うことによって、電子レンジ7000を操作することが可能である。なお認識範囲7007は表示部7001の直上とする。 FIG. 16 shows an operation of the microwave oven 7000 by an operator's gesture (for example, hand gesture) as an example. In the recognition range 7007, the operator can operate the microwave oven 7000 by performing a gesture without directly touching the microwave oven 7000. Note that the recognition range 7007 is directly above the display portion 7001.
図16(A)に示すように、表示部7001の認識範囲7007で、例えば操作者が「左手を拳にして、上から下に移動する」いう動作を行う場合、電子レンジ7000に電源が入り、電源ランプ7008がONに点灯する。 As shown in FIG. 16A, in the recognition range 7007 of the display portion 7001, for example, when the operator performs an operation of “moving from the top to the bottom with the left hand as a fist”, the microwave oven 7000 is turned on. The power lamp 7008 is lit ON.
例えば、操作者の手が高速に移動しても、電子レンジ7000は、歪みのない3次元距離画像を撮像し、容易に位置変化情報、形状変化情報を取得することができる。 For example, even when the operator's hand moves at high speed, the microwave oven 7000 can capture a three-dimensional distance image without distortion and easily acquire position change information and shape change information.
図16(B)に示すように、表示部7001の認識範囲7007で、例えば操作者が「左手を拳にして、下から上に移動する」いう動作を行う場合、電子レンジ7000の電源が切れ、電源ランプ7008がOFFに点灯する。 As shown in FIG. 16B, in the recognition range 7007 of the display portion 7001, for example, when the operator performs an operation of “moving from the bottom to the top with the left hand as a fist”, the microwave oven 7000 is turned off. The power lamp 7008 is turned off.
操作者は操作ボタン7002や、表示部7001に直接、指等で触れることなく、電子レンジを操作することができる。即ち、操作者はジェスチャーのみで、電子レンジの電源のON/OFF、オーブン機能、スチーム機能などのあらゆる操作を行うことができる。 An operator can operate the microwave oven without directly touching the operation button 7002 or the display portion 7001 with a finger or the like. That is, the operator can perform all operations such as turning on / off the power source of the microwave oven, the oven function, and the steam function only by gestures.
従って、操作者の状態を選ばず、操作者の体に負担をかけず、且つ操作者の動作を制限することのない電子機器(IHクッキングヒーター、電子レンジ等)を提供することができる。また、操作者は、当該電子機器に直接触れることなく、簡単に操作を行うことができる。 Therefore, it is possible to provide an electronic device (IH cooking heater, microwave oven, etc.) that does not select the operator's state, does not put a burden on the operator's body, and does not restrict the operation of the operator. In addition, the operator can easily perform an operation without directly touching the electronic device.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態7)
本実施の形態では、実施の形態2で示したフォトセンサ400の構成について、より詳細に説明する。m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ400を有する撮像装置の構成の一例について図17(A)を用いて、図17(A)とは別の構成の一例について図17(B)を用いて説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, the structure of the photosensor 400 described in Embodiment 2 will be described in more detail. FIG. 17A is used for an example of a structure of an imaging device having photosensors 400 arranged in a matrix of m rows and n columns, and FIG. 17B is used for an example of a structure different from FIG. Will be described.
図17(A)では、複数のフォトセンサ400がm(mは2以上の自然数)行n(nは2以上の自然数)列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ400は、複数の信号線11(PR)(11(PR)_1〜11(PR)_mと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線12(TX)(12(TX)_1〜12(TX)_mと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線13(SE)(13(SE)_1〜13(SE)_mと表記する)のいずれか1つと電気的に接続されている。各列のフォトセンサ400は、複数のフォトセンサ出力信号線(16_1〜16_nと表記する)のいずれか1つ、複数のフォトセンサ基準信号線(15_1〜15_nと表記する)のいずれか1つと電気的に接続されている。 In FIG. 17A, a plurality of photosensors 400 are arranged in a matrix of m (m is a natural number of 2 or more) rows n (n is a natural number of 2 or more) columns. The photosensor 400 in each row includes any one of a plurality of signal lines 11 (PR) (represented as 11 (PR) _1 to 11 (PR) _m) and a plurality of signal lines 12 (TX) (12 (TX)). _1 to 12 (TX) _m) and one of the plurality of signal lines 13 (SE) (denoted as 13 (SE) _1 to 13 (SE) _m). Has been. The photosensor 400 in each column is electrically connected to any one of a plurality of photosensor output signal lines (denoted as 16_1 to 16_n) and any one of a plurality of photosensor reference signal lines (denoted as 15_1 to 15_n). Connected.
図17(A)では、各行のフォトセンサにおいて信号線12(TX)を共有し、各行のフォトセンサにおいて信号線11(PR)を共有し、各行のフォトセンサにおいて信号線13(SE)を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。各行に複数本の信号線12(TX)を設けて互いに異なるフォトセンサ400と電気的に接続してもよい。各行に複数本の信号線11(PR)を設けて互いに異なるフォトセンサ400と電気的に接続してもよい。各行に複数本の信号線13(SE)を設けて互いに異なるフォトセンサ400と電気的に接続してもよい。各列に複数本のフォトセンサ出力信号線を設けて互いに異なるフォトセンサ400と電気的に接続してもよい。各列に複数本のフォトセンサ基準信号線を設けて互いに異なるフォトセンサ400と電気的に接続してもよい。 In FIG. 17A, the signal line 12 (TX) is shared by the photosensors of each row, the signal line 11 (PR) is shared by the photosensors of each row, and the signal line 13 (SE) is shared by the photosensors of each row. The photosensor output signal lines are shared by the photosensors in each column, and the photosensor reference signal lines are shared by the photosensors in each column. However, the present invention is not limited to this. A plurality of signal lines 12 (TX) may be provided in each row and electrically connected to different photosensors 400. A plurality of signal lines 11 (PR) may be provided in each row and electrically connected to different photosensors 400. A plurality of signal lines 13 (SE) may be provided in each row and electrically connected to different photosensors 400. A plurality of photosensor output signal lines may be provided in each column and electrically connected to different photosensors 400. A plurality of photosensor reference signal lines may be provided in each column and electrically connected to different photosensors 400.
また、図17(A)では、フォトセンサ基準信号線を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。 FIG. 17A illustrates a structure in which the photosensor reference signal line is shared by the photosensors in each column; however, the present invention is not limited to this. The photo sensor reference signal line may be shared by the photo sensors in each row.
また、m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ400のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサ400において、信号線12(TX)を共有することもできる。m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ400のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、信号線11(PR)を共有することもできる。 In addition, among the photosensors 400 arranged in a matrix of m rows and n columns, the signal line 12 (TX) can be shared by the photosensors 400 that perform the reset operation and the accumulation operation at the same time. Of the photosensors 400 arranged in a matrix of m rows and n columns, the signal line 11 (PR) can be shared by photosensors that perform the reset operation and the accumulation operation simultaneously.
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ400を駆動する駆動回路を簡略化することができる。 By sharing wiring and reducing the number of wirings as described above, a driving circuit for driving the photosensors 400 arranged in a matrix of m rows and n columns can be simplified.
次いで、m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ400を有する撮像装置の図17(A)とは別の構成の一例について図17(B)を用いて説明する。 Next, an example of a structure different from that in FIG. 17A of the imaging device including the photosensors 400 arranged in a matrix of m rows and n columns is described with reference to FIG.
図17(B)では、複数のフォトセンサ400がm行n列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ400は、複数の信号線13(SE)(13(SE)_1〜13(SE)_mと表記する)のいずれか1つと電気的に接続されている。各列のフォトセンサ400は、複数の信号線11(PR)(11(PR)_1〜11(PR)_nと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線12(TX)(12(TX)_1〜12(TX)_nと表記する)のいずれか1つと、複数のフォトセンサ出力信号線(16_1〜16_nと表記する)のいずれか1つ、複数のフォトセンサ基準信号線(15_1〜15_nと表記する)のいずれか1つと電気的に接続されている。 In FIG. 17B, a plurality of photosensors 400 are arranged in a matrix of m rows and n columns. The photosensor 400 in each row is electrically connected to any one of a plurality of signal lines 13 (SE) (denoted as 13 (SE) _1 to 13 (SE) _m). The photosensor 400 in each column includes any one of a plurality of signal lines 11 (PR) (indicated as 11 (PR) _1 to 11 (PR) _n) and a plurality of signal lines 12 (TX) (12 (TX) ) _1 to 12 (TX) _n), one of a plurality of photosensor output signal lines (represented as 16_1 to 16_n), and a plurality of photosensor reference signal lines (15_1 to 15_n). Is electrically connected to any one of them.
図17(B)では、各行のフォトセンサにおいて信号線13(SE)を共有し、各列のフォトセンサにおいて信号線11(PR)を共有し、各列のフォトセンサにおいて信号線12(TX)を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線を共有し、各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。 In FIG. 17B, the signal line 13 (SE) is shared by the photosensors of each row, the signal line 11 (PR) is shared by the photosensors of each column, and the signal line 12 (TX) is shared by the photosensors of each column. The photosensor output signal line is shared by the photosensors in each column, and the photosensor reference signal line is shared by the photosensors in each column. However, the present invention is not limited to this.
図17(B)では、フォトセンサ基準信号線を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。 Although FIG. 17B illustrates a structure in which the photosensor reference signal line is shared by the photosensors in each column, the present invention is not limited to this. The photo sensor reference signal line may be shared by the photo sensors in each row.
また、m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ400のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、信号線12(TX)を共有することもできる。m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ400のうち、リセット動作、蓄積動作を同時に行うフォトセンサにおいて、信号線11(PR)を共有することもできる。 In addition, among the photosensors 400 arranged in a matrix of m rows and n columns, the signal line 12 (TX) can be shared among the photosensors that perform the reset operation and the accumulation operation at the same time. Of the photosensors 400 arranged in a matrix of m rows and n columns, the signal line 11 (PR) can be shared by photosensors that perform the reset operation and the accumulation operation simultaneously.
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、m行n列のマトリクス状に配置されたフォトセンサ400を駆動する駆動回路を簡略化することができる。 By sharing wiring and reducing the number of wirings as described above, a driving circuit for driving the photosensors 400 arranged in a matrix of m rows and n columns can be simplified.
図18(A)は、フォトセンサ400の上面図を示し、図18(B)は、図18(A)の破線A1−A2における断面図を示す。 18A is a top view of the photosensor 400, and FIG. 18B is a cross-sectional view taken along dashed line A1-A2 in FIG.
フォトセンサ400は、信号線11(PR)として機能する導電膜210と、信号線12(TX)として機能する導電膜211と、信号線13(SE)として機能する導電膜212と、信号線15(フォトセンサ基準信号線)として機能する導電膜213と、信号線16(フォトセンサ出力信号線)として機能する導電膜214とを有している。 The photosensor 400 includes a conductive film 210 functioning as the signal line 11 (PR), a conductive film 211 functioning as the signal line 12 (TX), a conductive film 212 functioning as the signal line 13 (SE), and the signal line 15. A conductive film 213 functioning as a (photosensor reference signal line) and a conductive film 214 functioning as a signal line 16 (photosensor output signal line) are provided.
フォトセンサ400の有するフォトダイオード402は、順に積層されたp型の半導体膜215と、i型の半導体膜216と、n型の半導体膜217とを有している。導電膜210は、フォトダイオード402の陽極として機能するp型の半導体膜215に電気的に接続されている。 A photodiode 402 included in the photosensor 400 includes a p-type semiconductor film 215, an i-type semiconductor film 216, and an n-type semiconductor film 217 that are sequentially stacked. The conductive film 210 is electrically connected to the p-type semiconductor film 215 that functions as the anode of the photodiode 402.
フォトセンサ400の有する導電膜218は、トランジスタ403のゲート電極として機能しており、さらに、導電膜211に電気的に接続されている。フォトセンサ400の有する導電膜219は、トランジスタ403のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。フォトセンサ400の有する導電膜220は、トランジスタ403のソース電極又はドレイン電極の他方として機能する。フォトセンサ400の有する導電膜221は、n型の半導体膜217と、導電膜219とに電気的に接続されている。フォトセンサ400の有する導電膜222は、トランジスタ404のゲート電極として機能しており、さらに、導電膜220に電気的に接続されている。 A conductive film 218 included in the photosensor 400 functions as a gate electrode of the transistor 403 and is electrically connected to the conductive film 211. A conductive film 219 included in the photosensor 400 functions as one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 403. The conductive film 220 included in the photosensor 400 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 403. A conductive film 221 included in the photosensor 400 is electrically connected to the n-type semiconductor film 217 and the conductive film 219. A conductive film 222 included in the photosensor 400 functions as a gate electrode of the transistor 404 and is further electrically connected to the conductive film 220.
フォトセンサ400の有する導電膜223は、トランジスタ404のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。フォトセンサ400の有する導電膜224は、トランジスタ404のソース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ405のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。また、導電膜214は、トランジスタ405のソース電極又はドレイン電極の他方として機能する。導電膜212は、トランジスタ405のゲート電極としても機能する。フォトセンサ400の有する導電膜225は、導電膜223及び導電膜213に電気的に接続されている。 A conductive film 223 included in the photosensor 400 functions as one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 404. A conductive film 224 included in the photosensor 400 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 404 and one of the source electrode and the drain electrode of the transistor 405. The conductive film 214 functions as the other of the source electrode and the drain electrode of the transistor 405. The conductive film 212 also functions as the gate electrode of the transistor 405. A conductive film 225 included in the photosensor 400 is electrically connected to the conductive films 223 and 213.
なお、図18では、フォトセンサ400の有する導電膜226は、信号線11(PR)として機能する導電膜210に電気的に接続されている。また、フォトセンサ400の有する導電膜227は、信号線12(TX)として機能する導電膜211に電気的に接続されている。 Note that in FIG. 18, the conductive film 226 included in the photosensor 400 is electrically connected to the conductive film 210 functioning as the signal line 11 (PR). In addition, the conductive film 227 included in the photosensor 400 is electrically connected to the conductive film 211 functioning as the signal line 12 (TX).
導電膜212、導電膜218、導電膜222、導電膜225、導電膜226、導電膜227は、絶縁表面上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することができる。導電膜212、導電膜218、導電膜222、導電膜225、導電膜226、導電膜227上にはゲート絶縁膜228が形成されている。さらに、導電膜210、導電膜211、導電膜213、導電膜214、導電膜219、導電膜220、導電膜223、導電膜224は、ゲート絶縁膜228上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することができる。 The conductive film 212, the conductive film 218, the conductive film 222, the conductive film 225, the conductive film 226, and the conductive film 227 can be formed by processing one conductive film formed over the insulating surface into a desired shape. . A gate insulating film 228 is formed over the conductive films 212, 218, 222, 225, 226, and 227. Further, the conductive film 210, the conductive film 211, the conductive film 213, the conductive film 214, the conductive film 219, the conductive film 220, the conductive film 223, and the conductive film 224 are preferably one conductive film formed over the gate insulating film 228. It can be formed by processing into the shape.
また、導電膜210、導電膜211、導電膜213、導電膜214、導電膜219、導電膜220、導電膜223、導電膜224の上には、絶縁膜281及び絶縁膜282が形成されている。絶縁膜281及び絶縁膜282の上に、導電膜221が形成される。 An insulating film 281 and an insulating film 282 are formed over the conductive film 210, the conductive film 211, the conductive film 213, the conductive film 214, the conductive film 219, the conductive film 220, the conductive film 223, and the conductive film 224. . A conductive film 221 is formed over the insulating film 281 and the insulating film 282.
トランジスタ403の半導体層250には、酸化物半導体を用いることが好ましい。基板251側から光が照射されることにより生成された電荷を、長時間保持するためには、フォトダイオード402と電気的に接続されるトランジスタ403を、オフ電流が極めて低いトランジスタで構成する必要がある。そのため、半導体層250として酸化物半導体材料を用いることでフォトセンサ400の性能を高めることができる。なお、トランジスタ404と、トランジスタ405に用いられる半導体層として酸化物半導体を用いることも可能である。 An oxide semiconductor is preferably used for the semiconductor layer 250 of the transistor 403. In order to hold the charge generated by light irradiation from the substrate 251 side for a long time, the transistor 403 electrically connected to the photodiode 402 needs to be formed using a transistor with extremely low off-state current. is there. Therefore, the performance of the photosensor 400 can be improved by using an oxide semiconductor material for the semiconductor layer 250. Note that an oxide semiconductor can be used as a semiconductor layer used in the transistor 404 and the transistor 405.
また、トランジスタ404と、トランジスタ405に用いられる半導体層としてアモルファスシリコンや微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることもできる。これらの材料を用いることで、移動度の高いトランジスタを構成することが可能になる。 Alternatively, a material such as amorphous silicon, microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or single crystal silicon can be used for the semiconductor layer used in the transistor 404 and the transistor 405. By using these materials, a transistor with high mobility can be formed.
なお、トランジスタ403がボトムゲート型である場合、図18(B)に示すように、ゲート電極として機能する導電膜218に半導体層250が完全に重なる構成を用いることが望ましい。上記構成を採用することで、基板251側から入射した光により半導体層250中の酸化物半導体が劣化するのを防ぎ、よって、トランジスタ403の閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされるのを防ぐことができる。なお、トランジスタ404と、トランジスタ405についても、上記構成を採用することで、同様の効果が得られる。 Note that in the case where the transistor 403 is a bottom-gate transistor, a structure in which the semiconductor layer 250 completely overlaps with the conductive film 218 functioning as the gate electrode is preferably used as illustrated in FIG. By employing the above structure, the oxide semiconductor in the semiconductor layer 250 is prevented from being deteriorated by light incident from the substrate 251 side, and thus deterioration of characteristics such as shift of the threshold voltage of the transistor 403 is caused. Can be prevented. Note that the same effect can be obtained for the transistor 404 and the transistor 405 by adopting the above structure.
ここで、図17(A)で示したような信号線12(TX)が行方向に延びて配置される構成の場合、同じく行方向に延びて配置され、信号線12(TX)と平行な信号線13(SE)が存在する。信号線13(SE)はトランジスタ405のゲート電極と電気的に接続されるため、信号線13(SE)の一部をトランジスタ405のゲート電極として用いると、信号線13(SE)と平行な信号線12(TX)もトランジスタ405のゲート電極と同じ層に当該ゲート電極と同じ材料によって形成するのが一般的である。しかしながら、トランジスタのゲート電極に用いられる材料はソース電極やドレイン電極に用いられる材料と比べて、一般的に抵抗が高い材料である。そのため、信号線12(TX)の抵抗は高くなる傾向がある。 Here, in the configuration in which the signal line 12 (TX) as illustrated in FIG. 17A extends in the row direction, the signal line 12 (TX) also extends in the row direction and is parallel to the signal line 12 (TX). A signal line 13 (SE) exists. Since the signal line 13 (SE) is electrically connected to the gate electrode of the transistor 405, if a part of the signal line 13 (SE) is used as the gate electrode of the transistor 405, a signal parallel to the signal line 13 (SE) is used. The line 12 (TX) is generally formed in the same layer as the gate electrode of the transistor 405 using the same material as the gate electrode. However, a material used for a gate electrode of a transistor is generally a material having higher resistance than a material used for a source electrode or a drain electrode. For this reason, the resistance of the signal line 12 (TX) tends to increase.
これに対して、図17(B)に示した構成では、信号線12(TX)が列方向に延びて配置される構成である。そのため、行方向に延びて配置される信号線13(SE)とは別の層に形成された導電膜を用いて、信号線12(TX)を形成することができる。例えば、図18に示したように、フォトセンサ400を構成するトランジスタ(トランジスタ403、トランジスタ404、トランジスタ405等)のゲート電極を構成する導電膜(導電膜212、導電膜218、導電膜222)とは異なる層に形成された導電膜211によって信号線12(TX)を形成することができる。導電膜211は、導電膜214、導電膜219、導電膜220、導電膜224等、フォトセンサ400を構成するトランジスタ(トランジスタ403、トランジスタ404、トランジスタ405等)のソース電極やドレイン電極と同じ層に当該ソース電極や当該ドレイン電極と同じ材料によって形成することができる。そのため、図17(A)で示した構成に比べて信号線12(TX)の抵抗を小さくすることができる。 On the other hand, in the configuration illustrated in FIG. 17B, the signal line 12 (TX) extends in the column direction. Therefore, the signal line 12 (TX) can be formed using a conductive film formed in a layer different from the signal line 13 (SE) arranged extending in the row direction. For example, as illustrated in FIG. 18, conductive films (conductive film 212, conductive film 218, and conductive film 222) that form gate electrodes of transistors (transistor 403, transistor 404, transistor 405, and the like) included in the photosensor 400 The signal line 12 (TX) can be formed by the conductive films 211 formed in different layers. The conductive film 211 is formed in the same layer as the source electrode or the drain electrode of the transistor (the transistor 403, the transistor 404, the transistor 405, or the like) included in the photosensor 400, such as the conductive film 214, the conductive film 219, the conductive film 220, and the conductive film 224. It can be formed using the same material as the source electrode and the drain electrode. Therefore, the resistance of the signal line 12 (TX) can be reduced as compared with the structure illustrated in FIG.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態8)
本実施の形態では、単結晶シリコン等の半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタと、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタとを有するフォトセンサの作製方法について説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, a method for manufacturing a photosensor including a transistor in which a channel is formed in a semiconductor film such as single crystal silicon and a transistor in which a channel is formed in an oxide semiconductor layer will be described.
図19(A)に示すように、基板7060の絶縁表面上に、公知のCMOSの作製方法を用いて、フォトダイオード7040、nチャネル型トランジスタ7050を形成する。本実施の形態では、単結晶の半導体基板から分離された単結晶半導体膜を用いて、フォトダイオード7040、nチャネル型トランジスタ7050を形成する場合を例に挙げている。単結晶の半導体基板としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。 As shown in FIG. 19A, a photodiode 7040 and an n-channel transistor 7050 are formed over an insulating surface of a substrate 7060 using a known CMOS manufacturing method. In this embodiment, the case where the photodiode 7040 and the n-channel transistor 7050 are formed using a single crystal semiconductor film separated from a single crystal semiconductor substrate is given as an example. As the single crystal semiconductor substrate, for example, a silicon substrate can be used.
具体的な単結晶半導体膜の作製方法の一例について、簡単に説明する。まず、単結晶の半導体基板に、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを注入し、半導体基板の表面から一定の深さの領域に、結晶構造が乱されることで局所的に脆弱化された脆化層を形成する。脆化層が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの入射角によって調節することができる。そして、半導体基板と、絶縁膜7010が形成された基板7060とを、間に当該絶縁膜7010が挟まるように貼り合わせる。貼り合わせでは、半導体基板と基板7060とを重ね合わせた後、半導体基板と基板7060の一部に、1N/cm2以上500N/cm2以下、好ましくは11N/cm2以上20N/cm2以下程度の圧力を加える。圧力を加えると、その部分から半導体基板と絶縁膜7010とが接合を開始し、最終的には密着した面全体に接合がおよぶ。次いで、加熱処理を行うことで、脆化層に存在する微小ボイドどうしが結合して、微小ボイドの体積が増大する。その結果、脆化層において半導体基板の一部である単結晶半導体膜が、半導体基板から分離する。上記加熱処理の温度は、基板7060の歪み点を越えない温度とする。そして、上記単結晶半導体膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、島状の半導体膜7020、島状の半導体膜7030を形成することができる。 An example of a specific method for manufacturing a single crystal semiconductor film will be briefly described. First, an ion beam made of ions accelerated by an electric field is injected into a single crystal semiconductor substrate, and the crystal structure is disturbed locally from the surface of the semiconductor substrate to a certain depth. Forming a brittle layer. The depth of the region where the embrittlement layer is formed can be adjusted by the acceleration energy of the ion beam and the incident angle of the ion beam. Then, the semiconductor substrate and the substrate 7060 over which the insulating film 7010 is formed are attached so that the insulating film 7010 is sandwiched therebetween. In the bonding, after the semiconductor substrate and the substrate 7060 are overlapped, part of the semiconductor substrate and the substrate 7060 is 1 N / cm 2 or more and 500 N / cm 2 or less, preferably 11 N / cm 2 or more and 20 N / cm 2 or less. Apply pressure. When pressure is applied, the semiconductor substrate and the insulating film 7010 start to be joined from that portion, and finally the whole surface is joined. Next, by performing heat treatment, the microvoids existing in the embrittled layer are combined with each other, and the volume of the microvoids is increased. As a result, the single crystal semiconductor film which is part of the semiconductor substrate in the embrittlement layer is separated from the semiconductor substrate. The temperature for the heat treatment is set so as not to exceed the strain point of the substrate 7060. Then, the single crystal semiconductor film is processed into a desired shape by etching or the like, whereby the island-shaped semiconductor film 7020 and the island-shaped semiconductor film 7030 can be formed.
フォトダイオード7040は、絶縁膜7010上の島状の半導体膜7020を用いて形成されており、nチャネル型トランジスタ7050は、絶縁膜7010上の島状の半導体膜7030を用いて形成されている。また、フォトダイオード7040は、島状の半導体膜7020内にp型の導電性を有する領域7270と、i型の導電性を有する領域7280と、n型の導電性を有する領域7290とが形成された横型接合タイプである。また、nチャネル型トランジスタ7050は、ゲート電極7070を有している。nチャネル型トランジスタ7050は、島状の半導体膜7030内に、ゲート電極7070と重なる領域を挟むように設けられた一対のn型の導電性を有する領域を含む。そして、nチャネル型トランジスタ7050は、島状の半導体膜7030とゲート電極7070の間に、絶縁膜7080を有する。nチャネル型トランジスタ7050において、絶縁膜7080はゲート絶縁膜として機能する。 The photodiode 7040 is formed using the island-shaped semiconductor film 7020 over the insulating film 7010, and the n-channel transistor 7050 is formed using the island-shaped semiconductor film 7030 over the insulating film 7010. In the photodiode 7040, a region 7270 having p-type conductivity, a region 7280 having i-type conductivity, and a region 7290 having n-type conductivity are formed in an island-shaped semiconductor film 7020. Horizontal type. Further, the n-channel transistor 7050 includes a gate electrode 7070. The n-channel transistor 7050 includes a pair of n-type conductive regions provided in the island-shaped semiconductor film 7030 so as to sandwich a region overlapping with the gate electrode 7070. The n-channel transistor 7050 includes an insulating film 7080 between the island-shaped semiconductor film 7030 and the gate electrode 7070. In the n-channel transistor 7050, the insulating film 7080 functions as a gate insulating film.
なお、i型の導電性を有する領域7280は、半導体膜のうち、含まれるp型若しくはn型を付与する不純物が1×1020cm−3以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が400倍以上である領域を指す。i型の導電性を有する領域7280には、周期表第13族若しくは第15族の不純物元素を有するものもその範疇に含む。すなわち、i型の導電性を有する領域7280は、価電子制御を目的とした不純物元素を意図的に添加しないときに弱いn型の電気伝導性を示すので、i型の導電性を有する領域7280は、p型を付与する不純物元素を、成膜時或いは成膜後に、意図的若しくは非意図的に添加されたものをその範疇に含む。 Note that in the region 7280 having i-type conductivity, the impurity imparting p-type or n-type contained in the semiconductor film has a concentration of 1 × 10 20 cm −3 or less, and light with respect to dark conductivity It refers to the region where the conductivity is 400 times or more. The region 7280 having i-type conductivity includes a region having an impurity element belonging to Group 13 or Group 15 of the periodic table in its category. That is, since the region 7280 having i-type conductivity exhibits weak n-type conductivity when an impurity element for the purpose of controlling valence electrons is not intentionally added, the region 7280 having i-type conductivity is provided. Includes in its category an impurity element imparting p-type intentionally or unintentionally added during or after film formation.
基板7060として使用することができる素材に大きな制限はないが、透過型、或いは半透過型の液晶素子を用いる場合、基板7060も透光性を有する素材とする。また、基板7060として使用することができる素材は、少なくとも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板7060には、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が730℃以上のものを用いると良い。プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。 There is no particular limitation on a material that can be used as the substrate 7060; however, in the case where a transmissive or transflective liquid crystal element is used, the substrate 7060 is also a light-transmitting material. In addition, a material that can be used as the substrate 7060 needs to have at least heat resistance enough to withstand heat treatment performed later. For example, for the substrate 7060, a glass substrate, a quartz substrate, a ceramic substrate, or the like manufactured by a fusion method or a float method can be used. As the glass substrate, a glass substrate having a strain point of 730 ° C. or higher is preferably used when the temperature of the subsequent heat treatment is high. A substrate made of a synthetic resin having flexibility such as plastic generally tends to have a lower heat resistant temperature than the above substrate, but can be used as long as it can withstand the processing temperature in the manufacturing process. .
なお、本実施の形態では、単結晶の半導体膜を用いてフォトダイオード7040とnチャネル型トランジスタ7050を形成する例について説明しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、絶縁膜7010上に気相成長法を用いて形成された多結晶、微結晶の半導体膜を用いても良いし、上記半導体膜を公知の技術により結晶化しても良い。公知の結晶化方法としては、レーザ光を用いたレーザ結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法がある。或いは、触媒元素を用いる結晶化法とレーザ結晶化法とを組み合わせて用いることもできる。また、石英のような耐熱性に優れている基板を用いる場合、電熱炉を使用した熱結晶化方法、赤外光を用いたランプアニール結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法、950℃程度の高温アニール法を組み合わせた結晶化法を用いても良い。 Note that although an example in which the photodiode 7040 and the n-channel transistor 7050 are formed using a single crystal semiconductor film is described in this embodiment, the present invention is not limited to this structure. For example, a polycrystalline or microcrystalline semiconductor film formed over the insulating film 7010 by a vapor deposition method may be used, or the semiconductor film may be crystallized by a known technique. Known crystallization methods include a laser crystallization method using laser light and a crystallization method using a catalytic element. Alternatively, a crystallization method using a catalytic element and a laser crystallization method can be used in combination. In addition, when using a substrate having excellent heat resistance such as quartz, a thermal crystallization method using an electric furnace, a lamp annealing crystallization method using infrared light, a crystallization method using a catalytic element, about 950 ° C. Alternatively, a crystallization method combining the high temperature annealing method may be used.
また、図19(A)に示すように、絶縁膜7080上に導電膜を形成した後、上記導電膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、ゲート電極7070と共に、配線7110を形成する。 As shown in FIG. 19A, after a conductive film is formed over the insulating film 7080, the conductive film is processed into a desired shape by etching or the like, whereby the wiring 7110 is formed together with the gate electrode 7070. .
次いで、図19(A)に示すように、フォトダイオード7040、nチャネル型トランジスタ7050、配線7110、ゲート電極7070を覆うように、絶縁膜7120を形成する。なお、本実施の形態では、単層の絶縁膜7120を用いる場合を例示しているが、絶縁膜7120は単層である必要はなく、2層以上の絶縁膜を積層させて絶縁膜7120として用いても良い。 Next, as illustrated in FIG. 19A, an insulating film 7120 is formed so as to cover the photodiode 7040, the n-channel transistor 7050, the wiring 7110, and the gate electrode 7070. Note that although the case where the single-layer insulating film 7120 is used is illustrated in this embodiment, the insulating film 7120 is not necessarily a single layer, and two or more insulating films are stacked to form the insulating film 7120. It may be used.
絶縁膜7120は、後の作製工程における加熱処理の温度に耐えうる材料を用いる。具体的に、絶縁膜7120として、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの材料を用いるのが望ましい。 The insulating film 7120 is formed using a material that can withstand the temperature of heat treatment in a later manufacturing process. Specifically, it is preferable to use a material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon nitride oxide, silicon oxynitride, aluminum nitride, or aluminum oxide for the insulating film 7120.
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い物質であり、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い物質を意味する。 Note that in this specification, oxynitride is a substance having a higher oxygen content than nitrogen in the composition, and nitride oxide has a nitrogen content higher than oxygen in the composition. Means a substance.
絶縁膜7120は、その表面をCMP法などにより平坦化させても良い。 The surface of the insulating film 7120 may be planarized by a CMP method or the like.
次いで、図19(A)に示すように、絶縁膜7120上に、ゲート電極7130を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 19A, a gate electrode 7130 is formed over the insulating film 7120.
ゲート電極7130の材料は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、これら金属材料を主成分とする合金材料、或いはこれら金属の窒化物を、単層で又は積層で用いることができる。なお、後の工程において行われる加熱処理の温度に耐えうるのであれば、上記金属材料としてアルミニウム、銅を用いることもできる。アルミニウム又は銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム等を用いることができる。 The material of the gate electrode 7130 is a metal material such as molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, neodymium, or scandium, an alloy material containing these metal materials as a main component, or a nitride of these metals in a single layer or a stacked layer. Can be used. Note that aluminum or copper can also be used as the metal material as long as it can withstand the temperature of heat treatment performed in a later step. Aluminum or copper is preferably used in combination with a refractory metal material in order to avoid heat resistance and corrosion problems. As the refractory metal material, molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, neodymium, scandium, or the like can be used.
例えば、二層の積層構造を有するゲート電極7130として、アルミニウム膜上にモリブデン膜が積層された二層の積層構造、銅膜上にモリブデン膜を積層した二層構造、銅膜上に窒化チタン膜若しくは窒化タンタル膜を積層した二層構造、又は、窒化チタン膜とモリブデン膜とを積層した二層構造とすることが好ましい。3層の積層構造を有するゲート電極7130としては、アルミニウム膜、アルミニウムとシリコンの合金膜、アルミニウムとチタンの合金膜又はアルミニウムとネオジムの合金膜を中間層とし、タングステン膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜又はチタン膜を上下層として積層した構造とすることが好ましい。 For example, as the gate electrode 7130 having a two-layer structure, a two-layer structure in which a molybdenum film is stacked on an aluminum film, a two-layer structure in which a molybdenum film is stacked on a copper film, and a titanium nitride film on the copper film Alternatively, a two-layer structure in which a tantalum nitride film is stacked or a two-layer structure in which a titanium nitride film and a molybdenum film are stacked is preferable. As the gate electrode 7130 having a three-layer structure, an aluminum film, an aluminum-silicon alloy film, an aluminum-titanium alloy film, or an aluminum-neodymium alloy film is used as an intermediate layer, and a tungsten film, a tungsten nitride film, or a titanium nitride film is used. A structure in which a film or a titanium film is laminated as upper and lower layers is preferable.
また、ゲート電極7130に酸化インジウム、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、又は酸化亜鉛ガリウム等の透光性を有する酸化物導電膜を用いることもできる。 Alternatively, the gate electrode 7130 may be formed using a light-transmitting oxide conductive film such as indium oxide, indium tin oxide, indium zinc oxide, zinc oxide, zinc aluminum oxide, zinc aluminum oxynitride, or zinc gallium oxide. it can.
ゲート電極7130の膜厚は、10nm〜400nm、好ましくは40nm〜200nmとする。本実施の形態では、タングステンターゲットを用いたスパッタ法により150nmのゲート電極用の導電膜を形成した後、該導電膜をエッチングにより所望の形状に加工(パターニング)することで、ゲート電極7130を形成する。なお、形成されたゲート電極がテーパー形状であると、上に積層するゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。 The thickness of the gate electrode 7130 is 10 nm to 400 nm, preferably 40 nm to 200 nm. In this embodiment, after forming a conductive film for a gate electrode with a thickness of 150 nm by a sputtering method using a tungsten target, the conductive film is processed (patterned) into a desired shape by etching, whereby the gate electrode 7130 is formed. To do. Note that it is preferable that the formed gate electrode has a tapered shape because coverage with a gate insulating film stacked thereover is improved. Note that the resist mask may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.
次いで、図19(B)に示すように、ゲート電極7130上に、ゲート絶縁膜7140を形成した後、ゲート絶縁膜7140上においてゲート電極7130と重なる位置に、酸化物半導体層7150を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 19B, after the gate insulating film 7140 is formed over the gate electrode 7130, the oxide semiconductor layer 7150 is formed in a position overlapping with the gate electrode 7130 over the gate insulating film 7140.
ゲート絶縁膜7140は、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いて、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、窒化酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜又は酸化タンタル膜を単層で又は積層させて形成することができる。ゲート絶縁膜7140は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましい。スパッタリング法により酸化珪素膜を成膜する場合には、ターゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いる。 The gate insulating film 7140 is formed using a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum oxide film, an aluminum nitride film, an aluminum oxynitride film, a oxynitride oxide, using a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. An aluminum film, a hafnium oxide film, or a tantalum oxide film can be formed as a single layer or stacked layers. The gate insulating film 7140 preferably contains as little moisture, impurities as hydrogen and oxygen as possible. In the case of forming a silicon oxide film by a sputtering method, a silicon target or a quartz target is used as a target, and oxygen or a mixed gas of oxygen and argon is used as a sputtering gas.
不純物を除去することによりi型化又は実質的にi型化された酸化物半導体層(高純度化された酸化物半導体層)は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、高純度化された酸化物半導体層7150とゲート絶縁膜7140との界面は重要である。酸化物半導体層7150に接するゲート絶縁膜7140は、高品質化が要求される。 An oxide semiconductor layer that is i-type or substantially i-type by removing impurities (a highly purified oxide semiconductor layer) is extremely sensitive to interface states and interface charges. The interface between the purified oxide semiconductor layer 7150 and the gate insulating film 7140 is important. The gate insulating film 7140 in contact with the oxide semiconductor layer 7150 is required to have high quality.
例えば、μ波(周波数2.45GHz)を用いた高密度プラズマCVD法は、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。高純度化された酸化物半導体層と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なものとすることができる。 For example, a high-density plasma CVD method using μ-wave (frequency: 2.45 GHz) is preferable because a high-quality insulating film with high density and high withstand voltage can be formed. When the highly purified oxide semiconductor layer and the high-quality gate insulating film are in close contact with each other, the interface state can be reduced and interface characteristics can be improved.
もちろん、ゲート絶縁膜7140として良質な絶縁膜を形成できるものであれば、スパッタリング法やプラズマCVD法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後の熱処理によって膜質や、酸化物半導体層7150との界面特性が改善される絶縁膜であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁膜としての膜質が良好であることは勿論のこと、ゲート絶縁膜と酸化物半導体層との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い。 Needless to say, another film formation method such as a sputtering method or a plasma CVD method can be employed as long as a high-quality insulating film can be formed as the gate insulating film 7140. Alternatively, an insulating film whose film quality or interface characteristics with the oxide semiconductor layer 7150 is improved by heat treatment after film formation may be used. In any case, any film can be used as long as it can reduce the interface state density between the gate insulating film and the oxide semiconductor layer and form a good interface, as well as having good film quality as the gate insulating film. .
バリア性の高い材料を用いた絶縁膜と、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜とを積層させた構造を有するゲート絶縁膜7140を形成しても良い。この場合、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜は、バリア性の高い絶縁膜と酸化物半導層の間に形成する。バリア性の高い絶縁膜として、例えば窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などが挙げられる。バリア性の高い材料を用いて絶縁膜を形成することで、水分又は水素などの雰囲気中の不純物、或いは基板内に含まれるアルカリ金属、重金属などの不純物が、酸化物半導体層内、ゲート絶縁膜7140内、或いは、酸化物半導体層と他の絶縁膜との界面とその近傍に入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層に接するように窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い絶縁膜が直接酸化物半導体層に接するのを防ぐことができる。 The gate insulating film 7140 may have a structure in which an insulating film using a material having a high barrier property and an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film with a low nitrogen content are stacked. In this case, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is formed between the insulating film having a high barrier property and the oxide semiconductor layer. As the insulating film having a high barrier property, for example, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride film, an aluminum nitride oxide film, or the like can be given. By forming the insulating film using a material having a high barrier property, impurities in an atmosphere such as moisture or hydrogen, or impurities such as alkali metals and heavy metals contained in the substrate are formed in the oxide semiconductor layer, the gate insulating film 7140, or the interface between the oxide semiconductor layer and another insulating film and the vicinity thereof can be prevented. In addition, by forming an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film having a low nitrogen content so as to be in contact with the oxide semiconductor layer, the insulating film having a high barrier property can be in direct contact with the oxide semiconductor layer. Can be prevented.
例えば、第1のゲート絶縁膜としてスパッタリング法により膜厚50nm以上200nm以下の窒化珪素膜(SiNy(y>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上に第2のゲート絶縁膜として膜厚5nm以上300nm以下の酸化珪素膜(SiOx(x>0))を積層して、膜厚400nmのゲート絶縁膜7140としても良い。ゲート絶縁膜7140の膜厚は、トランジスタに要求される特性によって適宜設定すればよく、350nm乃至400nm程度でもよい。 For example, a silicon nitride film (SiN y (y> 0)) with a thickness of 50 nm to 200 nm is formed as the first gate insulating film by a sputtering method, and the second gate insulating film is formed over the first gate insulating film. A gate insulating film 7140 with a thickness of 400 nm may be formed by stacking silicon oxide films (SiO x (x> 0)) with a thickness of 5 nm to 300 nm. The thickness of the gate insulating film 7140 may be set as appropriate depending on characteristics required for the transistor, and may be approximately 350 nm to 400 nm.
本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚50nmの窒化珪素膜上に、スパッタ法で形成された膜厚400nmの酸化珪素膜を積層させた構造を有する、ゲート絶縁膜7140を形成する。 In this embodiment, the gate insulating film 7140 having a structure in which a silicon oxide film with a thickness of 400 nm formed by a sputtering method is stacked over a silicon nitride film with a thickness of 50 nm formed by a sputtering method is formed. .
なお、ゲート絶縁膜7140は後に形成される酸化物半導体層と接する。酸化物半導体は、水素が含有されると特性に悪影響を及ぼすので、ゲート絶縁膜7140は水素、水酸基及び水分が含まれないことが望ましい。ゲート絶縁膜7140に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするためには、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート電極7130が形成された基板7060を予備加熱し、基板7060に吸着した水分又は水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、100℃以上400℃以下、好ましくは150℃以上300℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。 Note that the gate insulating film 7140 is in contact with an oxide semiconductor layer to be formed later. Since the oxide semiconductor adversely affects characteristics when hydrogen is contained, it is preferable that the gate insulating film 7140 be free of hydrogen, a hydroxyl group, and moisture. In order to prevent the gate insulating film 7140 from containing hydrogen, a hydroxyl group, and moisture as much as possible, as a pretreatment for film formation, the substrate 7060 over which the gate electrode 7130 is formed is preheated in a preheating chamber of a sputtering apparatus, and It is preferable that impurities such as moisture or hydrogen adsorbed on the substrate 7060 be desorbed and exhausted. Note that the preheating temperature is 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. Note that a cryopump is preferable as an exhaustion unit provided in the preheating chamber. Note that this preheating treatment can be omitted.
酸化物半導体層7150は、ゲート絶縁膜7140上に形成した酸化物半導体膜を所望の形状に加工することで、形成することができる。酸化物半導体膜の膜厚は、2nm以上200nm以下、好ましくは3nm以上50nm以下、さらに好ましくは3nm以上20nm以下とする。酸化物半導体膜は、酸化物半導体をターゲットとして用い、スパッタ法により成膜する。また、酸化物半導体膜は、希ガス(例えばアルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス(例えばアルゴン)及び酸素混合雰囲気下においてスパッタ法により形成することができる。 The oxide semiconductor layer 7150 can be formed by processing an oxide semiconductor film formed over the gate insulating film 7140 into a desired shape. The thickness of the oxide semiconductor film is 2 nm to 200 nm, preferably 3 nm to 50 nm, more preferably 3 nm to 20 nm. The oxide semiconductor film is formed by a sputtering method using an oxide semiconductor as a target. The oxide semiconductor film can be formed by a sputtering method in a rare gas (eg, argon) atmosphere, an oxygen atmosphere, or a rare gas (eg, argon) and oxygen mixed atmosphere.
なお、酸化物半導体膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁膜7140の表面に付着している塵埃を除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板近傍にプラズマを形成して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウムなどの雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に酸素、亜酸化窒素などを加えた雰囲気で行ってもよい。また、アルゴン雰囲気に塩素、四フッ化炭素などを加えた雰囲気で行ってもよい。 Note that before the oxide semiconductor film is formed by a sputtering method, reverse sputtering in which an argon gas is introduced to generate plasma is preferably performed to remove dust attached to the surface of the gate insulating film 7140. Reverse sputtering is a method of modifying the surface by forming a plasma near the substrate by applying a voltage using an RF power source on the substrate side in an argon atmosphere without applying a voltage to the target side. Note that an atmosphere such as nitrogen or helium may be used instead of the argon atmosphere. Alternatively, an argon atmosphere may be used in which oxygen, nitrous oxide, or the like is added. Alternatively, the reaction may be performed in an atmosphere in which chlorine, carbon tetrafluoride, or the like is added to an argon atmosphere.
酸化物半導体膜には、少なくともインジウム(In)あるいは亜鉛(Zn)を含むことが好ましい。特にInとZnを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体膜を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム(Ga)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ(Sn)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム(Hf)を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム(Al)を有することが好ましい。 The oxide semiconductor film preferably contains at least indium (In) or zinc (Zn). In particular, In and Zn are preferably included. In addition, it is preferable that gallium (Ga) be included in addition to the stabilizer for reducing variation in electrical characteristics of the transistor including the oxide semiconductor film. Moreover, it is preferable to have tin (Sn) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have hafnium (Hf) as a stabilizer. Moreover, it is preferable to have aluminum (Al) as a stabilizer.
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。 Other stabilizers include lanthanoids such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and terbium (Tb). , Dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), or lutetium (Lu).
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるIn−Zn系酸化物、Sn−Zn系酸化物、Al−Zn系酸化物、Zn−Mg系酸化物、Sn−Mg系酸化物、In−Mg系酸化物、In−Ga系酸化物、三元系金属の酸化物であるIn−Ga−Zn系酸化物(IGZOとも表記する)、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、Sn−Ga−Zn系酸化物、Al−Ga−Zn系酸化物、Sn−Al−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。 For example, as an oxide semiconductor, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, binary metal oxides such as In—Zn oxide, Sn—Zn oxide, Al—Zn oxide, Zn—Mg oxide Oxides, Sn—Mg oxides, In—Mg oxides, In—Ga oxides, In—Ga—Zn oxides (also referred to as IGZO) which are oxides of ternary metals, In— Al-Zn oxide, In-Sn-Zn oxide, Sn-Ga-Zn oxide, Al-Ga-Zn oxide, Sn-Al-Zn oxide, In-Hf-Zn oxide In-La-Zn-based oxide, In-Ce-Zn-based oxide, In-Pr-Zn-based oxide, In-Nd-Zn-based oxide, In-Sm-Zn-based oxide, In-Eu -Zn oxide, In-Gd-Zn oxide, In-Tb-Zn oxide, n-Dy-Zn-based oxide, In-Ho-Zn-based oxide, In-Er-Zn-based oxide, In-Tm-Zn-based oxide, In-Yb-Zn-based oxide, In-Lu-Zn -Based oxides, In-Sn-Ga-Zn-based oxides that are oxides of quaternary metals, In-Hf-Ga-Zn-based oxides, In-Al-Ga-Zn-based oxides, In-Sn- An Al—Zn-based oxide, an In—Sn—Hf—Zn-based oxide, or an In—Hf—Al—Zn-based oxide can be used.
なお、ここで、例えば、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。 Note that here, for example, an In—Ga—Zn-based oxide means an oxide containing In, Ga, and Zn as its main components, and there is no limitation on the ratio of In, Ga, and Zn. Moreover, metal elements other than In, Ga, and Zn may be contained.
例えば、In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)あるいはIn:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)の原子比のIn−Ga−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)あるいはIn:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)の原子比のIn−Sn−Zn系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。 For example, In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3) or In: Ga: Zn = 2: 2: 1 (= 2/5: 2/5: 1). / 5) atomic ratio In—Ga—Zn-based oxides and oxides in the vicinity of the composition can be used. Alternatively, In: Sn: Zn = 1: 1: 1 (= 1/3: 1/3: 1/3), In: Sn: Zn = 2: 1: 3 (= 1/3: 1/6: 1) / 2) or In: Sn: Zn = 2: 1: 5 (= 1/4: 1/8: 5/8) atomic ratio In—Sn—Zn-based oxide or an oxide in the vicinity of the composition. Can be used.
しかし、これらに限られず、必要とする半導体の電気特性(移動度、しきい値、ばらつき等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体の電気特性を得るために、キャリア濃度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 However, the composition is not limited to those described above, and a material having an appropriate composition may be used depending on required electrical characteristics (such as mobility, threshold value, and variation) of a semiconductor. In order to obtain the required electrical characteristics of the semiconductor, it is preferable that the carrier concentration, impurity concentration, defect density, atomic ratio of metal element to oxygen, interatomic distance, density, and the like are appropriate.
酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。 The oxide semiconductor may be single crystal or non-single crystal. In the latter case, it may be amorphous or polycrystalline. Moreover, the structure which contains the part which has crystallinity in an amorphous may be sufficient, and a non-amorphous may be sufficient.
本実施の形態では、In(インジウム)、Ga(ガリウム)、及びZn(亜鉛)を含むターゲットを用いたスパッタ法により得られる膜厚30nmのIn−Ga−Zn系酸化物半導体の薄膜を、酸化物半導体膜として用いる。上記ターゲットとして、例えば、各金属の組成がIn:Ga:Zn=1:1:0.5、In:Ga:Zn=1:1:1、又はIn:Ga:Zn=1:1:2であるターゲットを用いることができる。また、In、Ga、及びZnを含むターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以上100%未満である。充填率の高いターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。 In this embodiment, a 30 nm-thick In—Ga—Zn-based oxide semiconductor thin film obtained by sputtering using a target containing In (indium), Ga (gallium), and Zn (zinc) is oxidized. Used as a physical semiconductor film. As the target, for example, the composition of each metal is In: Ga: Zn = 1: 1: 0.5, In: Ga: Zn = 1: 1: 1, or In: Ga: Zn = 1: 1: 2. A certain target can be used. The filling rate of the target containing In, Ga, and Zn is 90% to 100%, preferably 95% to less than 100%. By using a target with a high filling rate, the formed oxide semiconductor film becomes a dense film.
本実施の形態では、減圧状態に保持された処理室内に基板を保持し、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板7060上に酸化物半導体膜を成膜する。成膜時に、基板温度を100℃以上600℃以下、好ましくは200℃以上400℃以下としても良い。基板を加熱しながら成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて処理室を排気すると、例えば、水素原子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該処理室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。 In this embodiment mode, the substrate is held in a processing chamber held in a reduced pressure state, a sputtering gas from which hydrogen and moisture are removed is removed while residual moisture in the processing chamber is removed, and the substrate 7060 is formed using the above target. An oxide semiconductor film is formed. At the time of film formation, the substrate temperature may be 100 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. By forming the film while heating the substrate, the concentration of impurities contained in the formed oxide semiconductor film can be reduced. Further, damage due to sputtering is reduced. In order to remove moisture remaining in the treatment chamber, an adsorption-type vacuum pump is preferably used. For example, it is preferable to use a cryopump, an ion pump, or a titanium sublimation pump. The exhaust means may be a turbo pump provided with a cold trap. When a processing chamber is exhausted using a cryopump, for example, a compound containing a hydrogen atom (more preferably a compound containing a carbon atom) such as a hydrogen atom or water (H 2 O) is exhausted. The concentration of impurities contained in the formed oxide semiconductor film can be reduced.
成膜条件の一例としては、基板とターゲットの間との距離を400mm、圧力0.6Pa、直流(DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する塵埃が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。 As an example of film forming conditions, a distance between the substrate and the target is 400 mm, a pressure is 0.6 Pa, a direct current (DC) power source is 0.5 kW, and an oxygen (oxygen flow rate ratio: 100%) atmosphere is applied. Note that a pulse direct current (DC) power source is preferable because dust generated in film formation can be reduced and the film thickness can be made uniform.
なお、酸化物半導体膜に水素、水酸基及び水分がなるべく含まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲート絶縁膜7140までが形成された基板7060を予備加熱し、基板7060に吸着した水分又は水素などの不純物を脱離し排気することが好ましい。なお、予備加熱の温度は、100℃以上400℃以下、好ましくは150℃以上300℃以下である。また、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。また、この予備加熱は、後に行われる絶縁膜7220の成膜前に、導電膜7200、導電膜7210まで形成した基板7060にも同様に行ってもよい。 Note that in order to prevent the oxide semiconductor film from containing hydrogen, a hydroxyl group, and moisture as much as possible, a substrate 7060 over which the gate insulating film 7140 is formed in a preheating chamber of a sputtering apparatus is preliminarily used as a pretreatment for film formation. It is preferable to heat and desorb impurities such as moisture or hydrogen adsorbed on the substrate 7060 and exhaust. Note that the preheating temperature is 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. In addition, a cryopump is preferable as the exhaust means provided in the preheating chamber. Note that this preheating treatment can be omitted. Further, this preheating may be similarly performed on the substrate 7060 on which the conductive film 7200 and the conductive film 7210 are formed before the insulating film 7220 to be formed later.
なお、酸化物半導体層7150を形成するためのエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス(塩素系ガス、例えば塩素(Cl2)、三塩化硼素(BCl3)、四塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(CCl4)など)が好ましい。また、フッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四弗化炭素(CF4)、六弗化硫黄(SF6)、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(HBr)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。 Note that etching for forming the oxide semiconductor layer 7150 may be dry etching or wet etching, or both of them may be used. As an etching gas used for dry etching, a gas containing chlorine (chlorine-based gas such as chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), carbon tetrachloride (CCl 4 ), or the like) Is preferred. Gas containing fluorine (fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride (CF 4 ), sulfur hexafluoride (SF 6 ), nitrogen trifluoride (NF 3 ), trifluoromethane (CHF 3 ), etc.), bromide Hydrogen (HBr), oxygen (O 2 ), a gas obtained by adding a rare gas such as helium (He) or argon (Ar) to these gases, or the like can be used.
ドライエッチング法としては、平行平板型RIE(Reactive Ion Etching)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。 As the dry etching method, a parallel plate RIE (Reactive Ion Etching) method or an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method can be used. Etching conditions (such as the amount of power applied to the coil-type electrode, the amount of power applied to the substrate-side electrode, the substrate-side electrode temperature, etc.) are adjusted as appropriate so that the desired processed shape can be etched.
ウェットエッチングに用いるエッチング液として、燐酸と酢酸と硝酸を混ぜた溶液、クエン酸やシュウ酸などの有機酸を用いることができる。本実施の形態では、ITO−07N(関東化学社製)を用いる。 As an etchant used for wet etching, a mixed solution of phosphoric acid, acetic acid, and nitric acid, or an organic acid such as citric acid or oxalic acid can be used. In this embodiment, ITO-07N (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) is used.
酸化物半導体層7150を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。 A resist mask for forming the oxide semiconductor layer 7150 may be formed by an inkjet method. When the resist mask is formed by an ink-jet method, a manufacturing cost can be reduced because a photomask is not used.
なお、次工程の導電膜を形成する前に逆スパッタを行い、酸化物半導体層7150及びゲート絶縁膜7140の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。 Note that before the conductive film in the next step is formed, reverse sputtering is preferably performed to remove a resist residue or the like attached to the surfaces of the oxide semiconductor layer 7150 and the gate insulating film 7140.
なお、スパッタ等で成膜された酸化物半導体層中には、不純物としての水分又は水素(水酸基を含む)が多量に含まれていることがある。水分又は水素はドナー準位を形成しやすいため、酸化物半導体にとっては不純物である。そこで、本発明の一態様では、酸化物半導体層中の水分又は水素などの不純物を低減(脱水化又は脱水素化)するために、酸化物半導体層7150に対して、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素ガス雰囲気下、又は超乾燥エア(CRDS(キャビティリングダウンレーザー分光法)方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が20ppm(露点換算で−55℃)以下、好ましくは1ppm以下、好ましくは10ppb以下の空気)雰囲気下で、加熱処理を施す。 Note that an oxide semiconductor layer formed by sputtering or the like may contain a large amount of moisture or hydrogen (including a hydroxyl group) as an impurity. Since moisture or hydrogen easily forms a donor level, it is an impurity for an oxide semiconductor. Therefore, in one embodiment of the present invention, in order to reduce (dehydrate or dehydrogenate) impurities such as moisture or hydrogen in the oxide semiconductor layer, nitrogen or Moisture content when measured using an inert gas atmosphere such as a rare gas, an oxygen gas atmosphere, or an ultra-dry air (CRDS (cavity ring down laser spectroscopy) type dew point meter) is 20 ppm (-55 in terms of dew point) ° C) or less, preferably 1 ppm or less, preferably 10 ppb or less of air) under an atmosphere.
酸化物半導体層7150に加熱処理を施すことで、酸化物半導体層7150中の水分又は水素を脱離させることができる。具体的には、250℃以上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行えば良い。例えば、500℃、3分間以上6分間以下程度で行えばよい。加熱処理にRTA法を用いれば、短時間に脱水化又は脱水素化が行えるため、ガラス基板の歪点を超える温度でも処理することができる。 By performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 7150, moisture or hydrogen in the oxide semiconductor layer 7150 can be eliminated. Specifically, heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 750 ° C., preferably 400 ° C. to less than the strain point of the substrate. For example, it may be performed at 500 ° C. for about 3 minutes to 6 minutes. When the RTA method is used for the heat treatment, dehydration or dehydrogenation can be performed in a short time, and thus the treatment can be performed even at a temperature exceeding the strain point of the glass substrate.
本実施の形態では、加熱処理装置の一つである電気炉を用いる。 In this embodiment, an electric furnace which is one of heat treatment apparatuses is used.
なお、加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導又は熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas Rapid Thermal Annealing)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal Annealing)装置等のRTA(Rapid Thermal Annealing)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、又は窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。 Note that the heat treatment apparatus is not limited to an electric furnace, and may include a device for heating an object to be processed by heat conduction or heat radiation from a heating element such as a resistance heating element. For example, an RTA (Rapid Thermal Annealing) device such as a GRTA (Gas Rapid Thermal Annealing) device or an LRTA (Lamp Rapid Thermal Annealing) device can be used. The LRTA apparatus is an apparatus that heats an object to be processed by radiation of light (electromagnetic waves) emitted from a lamp such as a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon arc lamp, a carbon arc lamp, a high pressure sodium lamp, or a high pressure mercury lamp. The GRTA apparatus is an apparatus that performs heat treatment using a high-temperature gas. As the gas, an inert gas that does not react with an object to be processed by heat treatment, such as nitrogen or a rare gas such as argon, is used.
なお、加熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水分又は水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。 Note that in the heat treatment, moisture, hydrogen, or the like is preferably not contained in nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon. Alternatively, the purity of nitrogen or a rare gas such as helium, neon, or argon introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration is 1 ppm). Or less, preferably 0.1 ppm or less).
以上の工程により、酸化物半導体層7150中の水素の濃度を低減し、高純度化することができる。それにより酸化物半導体層7150の安定化を図ることができる。また、ガラス転移温度以下の加熱処理で、キャリア密度が極端に少なく、バンドギャップの広い酸化物半導体層7150を形成することができる。このため、大面積基板を用いてトランジスタを作製することができ、量産性を高めることができる。また、当該水素濃度が低減され高純度化された酸化物半導体層7150を用いることで、耐圧性が高く、オフ電流の著しく低いトランジスタを作製することができる。上記加熱処理は、酸化物半導体膜の成膜以降であれば、いつでも行うことができる。 Through the above steps, the concentration of hydrogen in the oxide semiconductor layer 7150 can be reduced and the oxide semiconductor layer 7150 can be highly purified. Accordingly, stabilization of the oxide semiconductor layer 7150 can be achieved. In addition, the oxide semiconductor layer 7150 having an extremely low carrier density and a wide band gap can be formed by heat treatment at a glass transition temperature or lower. Therefore, a transistor can be manufactured using a large-area substrate, and mass productivity can be improved. Further, with the use of the oxide semiconductor layer 7150 with high purity and reduced hydrogen concentration, a transistor with high withstand voltage and extremely low off-state current can be manufactured. The heat treatment can be performed at any time after the oxide semiconductor film is formed.
なお、酸化物半導体膜を加熱する場合、酸化物半導体膜の材料や加熱条件にもよるが、その表面に板状結晶が形成されることがある。板状結晶は、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にc軸配向した単結晶体であることが好ましい。また、単結晶体でなくともチャネル形成領域で各結晶のab面が一致するか、a軸、或いは、b軸が全てにおいて一致し、かつ、酸化物半導体膜の表面に対して略垂直にc軸配向した多結晶体であることが好ましい。なお、酸化物半導体膜の下地表面に凹凸がある場合、板状結晶は多結晶体となる。したがって、下地表面は可能な限り平坦であることが望まれる。 Note that in the case of heating an oxide semiconductor film, a plate-like crystal may be formed on the surface of the oxide semiconductor film, depending on a material of the oxide semiconductor film and heating conditions. The plate-like crystal is preferably a single crystal having a c-axis orientation substantially perpendicular to the surface of the oxide semiconductor film. Further, even if not a single crystal body, the ab planes of the respective crystals coincide in the channel formation region, or the a-axis or the b-axis coincide with each other, and c is substantially perpendicular to the surface of the oxide semiconductor film. An axially oriented polycrystal is preferred. Note that in the case where the base surface of the oxide semiconductor film is uneven, the plate-like crystal is a polycrystal. Therefore, it is desirable that the underlying surface be as flat as possible.
酸化物半導体膜は、単結晶、多結晶(ポリクリスタルともいう。)又は非晶質などの状態をとる。 An oxide semiconductor film is in a single crystal state, a polycrystalline (also referred to as polycrystal) state, an amorphous state, or the like.
また、酸化物半導体膜は、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜であることが好ましい。CAAC−OS膜は、完全な単結晶ではなく、完全な非晶質でもない。CAAC−OS膜は、非晶質相に結晶部及び非晶質部を有する結晶−非晶質混相構造の酸化物半導体膜である。なお、当該結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさであることが多い。また、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による観察像では、CAAC−OS膜に含まれる非晶質部と結晶部との境界は明確ではない。また、TEMによってCAAC−OS膜には粒界(グレインバウンダリーともいう。)は確認できない。そのため、CAAC−OS膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。 The oxide semiconductor film is preferably a CAAC-OS (C Axis Crystallized Oxide Semiconductor) film. The CAAC-OS film is not completely single crystal nor completely amorphous. The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a crystal-amorphous mixed phase structure where crystal parts and amorphous parts are included in an amorphous phase. Note that the crystal part is often large enough to fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Further, in the observation image obtained by a transmission electron microscope (TEM), the boundary between the amorphous part and the crystal part included in the CAAC-OS film is not clear. Further, a grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed in the CAAC-OS film by TEM. Therefore, in the CAAC-OS film, reduction in electron mobility due to grain boundaries is suppressed.
CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、c軸がCAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつab面に垂直な方向から見て三角形状又は六角形状の原子配列を有し、c軸に垂直な方向から見て金属原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、それぞれa軸及びb軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載する場合、85°以上95°以下の範囲も含まれることとする。また、単に平行と記載する場合、−5°以上5°以下の範囲も含まれることとする。 The crystal part included in the CAAC-OS film is triangular when viewed from the direction perpendicular to the ab plane and the c-axis is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface. It has a shape or hexagonal atomic arrangement, and metal atoms are arranged in layers or metal atoms and oxygen atoms are arranged in layers as viewed from the direction perpendicular to the c-axis. Note that the directions of the a-axis and the b-axis may be different between different crystal parts. In this specification, a simple term “perpendicular” includes a range from 85 ° to 95 °. In addition, a simple term “parallel” includes a range from −5 ° to 5 °.
なお、CAAC−OS膜において、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部が非晶質化することもある。 Note that the distribution of crystal parts in the CAAC-OS film is not necessarily uniform. For example, in the formation process of the CAAC-OS film, when crystal growth is performed from the surface side of the oxide semiconductor film, the ratio of crystal parts in the vicinity of the surface of the oxide semiconductor film is higher in the vicinity of the surface. In addition, when an impurity is added to the CAAC-OS film, the crystal part in a region to which the impurity is added becomes amorphous in some cases.
CAAC−OS膜に含まれる結晶部のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向に揃うため、CAAC−OS膜の形状(被形成面の断面形状又は表面の断面形状)によっては互いに異なる方向を向くことがある。なお、結晶部のc軸の方向は、CAAC−OS膜が形成されたときの被形成面の法線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向となる。結晶部は、成膜することにより、又は成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行うことにより形成される。 Since the c-axis of the crystal part included in the CAAC-OS film is aligned in a direction parallel to the normal vector of the formation surface of the CAAC-OS film or the normal vector of the surface, the shape of the CAAC-OS film (formation surface) Depending on the cross-sectional shape or the cross-sectional shape of the surface). Note that the c-axis direction of the crystal part is parallel to the normal vector of the surface where the CAAC-OS film is formed or the normal vector of the surface. The crystal part is formed by film formation or by performing crystallization treatment such as heat treatment after film formation.
CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。 In a transistor using a CAAC-OS film, change in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light is small. Therefore, the transistor has high reliability.
なお、酸化物半導体膜を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。 Note that part of oxygen included in the oxide semiconductor film may be replaced with nitrogen.
次に、絶縁膜7080、絶縁膜7120、ゲート絶縁膜7140を部分的にエッチングすることで、島状の半導体膜7020、島状の半導体膜7030、配線7110に達するコンタクトホールを形成する。 Next, the insulating film 7080, the insulating film 7120, and the gate insulating film 7140 are partially etched, so that contact holes reaching the island-shaped semiconductor film 7020, the island-shaped semiconductor film 7030, and the wiring 7110 are formed.
そして、酸化物半導体層7150を覆うように、スパッタ法や真空蒸着法で導電膜を形成したあと、エッチング等により該導電膜をパターニングすることで、図19(C)に示すように、ソース電極、ドレイン電極、又は配線として機能する導電膜7160、導電膜7170、導電膜7180、導電膜7190、導電膜7200、導電膜7210を形成する。 Then, after a conductive film is formed by a sputtering method or a vacuum evaporation method so as to cover the oxide semiconductor layer 7150, the conductive film is patterned by etching or the like, whereby a source electrode is formed as shown in FIG. A conductive film 7160, a conductive film 7170, a conductive film 7180, a conductive film 7190, a conductive film 7200, and a conductive film 7210 functioning as a drain electrode or a wiring are formed.
なお、導電膜7160及び導電膜7170は、島状の半導体膜7020に接している。導電膜7180及び導電膜7190は、島状の半導体膜7030に接している。導電膜7200は、配線7110及び酸化物半導体層7150に接している。導電膜7210は、酸化物半導体層7150に接している。 Note that the conductive films 7160 and 7170 are in contact with the island-shaped semiconductor film 7020. The conductive films 7180 and 7190 are in contact with the island-shaped semiconductor film 7030. The conductive film 7200 is in contact with the wiring 7110 and the oxide semiconductor layer 7150. The conductive film 7210 is in contact with the oxide semiconductor layer 7150.
導電膜7160、導電膜7170、導電膜7180、導電膜7190、導電膜7200、導電膜7210となる導電膜の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、又は上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側もしくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウム又は銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム、イットリウム等を用いることができる。 As a material of the conductive film to be the conductive film 7160, the conductive film 7170, the conductive film 7180, the conductive film 7190, the conductive film 7200, and the conductive film 7210, an element selected from aluminum, chromium, copper, tantalum, titanium, molybdenum, and tungsten Or an alloy containing the above-described element as a component, an alloy film combining the above-described elements, or the like. Alternatively, a high melting point metal film such as chromium, tantalum, titanium, molybdenum, or tungsten may be stacked below or above the metal film such as aluminum or copper. Aluminum or copper is preferably used in combination with a refractory metal material in order to avoid problems of heat resistance and corrosion. As the refractory metal material, molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, neodymium, scandium, yttrium, or the like can be used.
また、導電膜7160、導電膜7170、導電膜7180、導電膜7190、導電膜7200、導電膜7210は、単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する2層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を積層する3層構造などが挙げられる。 The conductive film 7160, the conductive film 7170, the conductive film 7180, the conductive film 7190, the conductive film 7200, and the conductive film 7210 may have a single-layer structure or a stacked structure of two or more layers. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which a titanium film is stacked on an aluminum film, a titanium film, an aluminum film stacked on the titanium film, and a titanium film stacked on the titanium film And a three-layer structure.
また、導電膜7160、導電膜7170、導電膜7180、導電膜7190、導電膜7200、導電膜7210となる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛又は前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。 Alternatively, the conductive film to be the conductive film 7160, the conductive film 7170, the conductive film 7180, the conductive film 7190, the conductive film 7200, and the conductive film 7210 may be formed using a conductive metal oxide. As the conductive metal oxide, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, indium tin oxide, indium zinc oxide, or a metal oxide material containing silicon or silicon oxide can be used.
導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。 In the case where heat treatment is performed after formation of the conductive film, the conductive film preferably has heat resistance enough to withstand the heat treatment.
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層7150がなるべく除去されないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、島状の酸化物半導体層7150の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部(凹部)が形成されることもある。 Note that each material and etching conditions are adjusted as appropriate so that the oxide semiconductor layer 7150 is not removed as much as possible when the conductive film is etched. Depending on the etching conditions, the exposed portion of the island-shaped oxide semiconductor layer 7150 is partly etched, so that a groove (a depressed portion) may be formed.
本実施の形態では、導電膜にチタン膜を用いる。そのため、アンモニアと過酸化水素水を含む溶液(アンモニア過水)を用いて、選択的に導電膜をウェットエッチングすることができるが、酸化物半導体層7150も一部エッチングされる。アンモニア過水は、具体的には、31重量%の過酸化水素水と、28重量%のアンモニア水と水とを、体積比5:2:2で混合した水溶液を用いる。或いは、塩素(Cl2)、三塩化硼素(BCl3)などを含むガスを用いて、導電膜をドライエッチングしても良い。 In this embodiment, a titanium film is used for the conductive film. Therefore, the conductive film can be selectively wet etched using a solution containing ammonia and aqueous hydrogen peroxide (ammonia hydrogen peroxide), but the oxide semiconductor layer 7150 is also partially etched. Specifically, the ammonia overwater uses an aqueous solution in which 31% by weight of hydrogen peroxide water, 28% by weight of ammonia water and water are mixed at a volume ratio of 5: 2: 2. Alternatively, the conductive film may be dry-etched using a gas containing chlorine (Cl 2 ), boron trichloride (BCl 3 ), or the like.
なお、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形することができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。 Note that in order to reduce the number of photomasks used in the photolithography process and the number of processes, the etching process may be performed using a resist mask formed by a multi-tone mask that gives multi-level intensity to transmitted light. A resist mask formed using a multi-tone mask has a shape with a plurality of thicknesses, and the shape can be further deformed by etching. Therefore, the resist mask can be used for a plurality of etching processes for processing into different patterns. . Therefore, a resist mask corresponding to at least two kinds of different patterns can be formed by using one multi-tone mask. Therefore, the number of exposure masks can be reduced, and the corresponding photolithography process can be reduced, so that the process can be simplified.
次いで、N2O、N2、又はArなどのガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層7150の表面に付着した水などを除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。 Next, plasma treatment using a gas such as N 2 O, N 2 , or Ar is performed. Water or the like attached to the surface of the oxide semiconductor layer 7150 exposed by this plasma treatment is removed. Further, plasma treatment may be performed using a mixed gas of oxygen and argon.
なお、プラズマ処理を行った後、図19(C)に示すように、導電膜7160、導電膜7170、導電膜7180、導電膜7190、導電膜7200、導電膜7210と、酸化物半導体層7150とを覆うように、絶縁膜7220を形成する。絶縁膜7220は、水分や、水素、酸素などの不純物を極力含まないことが望ましく、単層の絶縁膜であっても良いし、積層された複数の絶縁膜で構成されていても良い。絶縁膜7220に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層へ侵入し、又は水素が酸化物半導体層中の酸素を引き抜き、酸化物半導体層のバックチャネル部が低抵抗化(n型化)してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、絶縁膜7220はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要である。絶縁膜7220には、バリア性の高い材料を用いるのが望ましい。例えば、バリア性の高い絶縁膜として、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などを用いることができる。複数の積層された絶縁膜を用いる場合、窒素の含有比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を、上記バリア性の高い絶縁膜よりも、酸化物半導体層7150に近い側に形成する。そして、窒素の含有比率が低い絶縁膜を間に挟んで、導電膜7160、導電膜7170、導電膜7180、導電膜7190、導電膜7200、導電膜7210及び酸化物半導体層7150と重なるように、バリア性の高い絶縁膜を形成する。バリア性の高い絶縁膜を用いることで、酸化物半導体層7150内、ゲート絶縁膜7140内、或いは、酸化物半導体層7150と他の絶縁膜の界面とその近傍に、水分又は水素などの不純物が入り込むのを防ぐことができる。また、酸化物半導体層7150に接するように窒素の比率が低い酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの絶縁膜を形成することで、バリア性の高い材料を用いた絶縁膜が直接酸化物半導体層7150に接するのを防ぐことができる。 Note that after the plasma treatment, as illustrated in FIG. 19C, the conductive film 7160, the conductive film 7170, the conductive film 7180, the conductive film 7190, the conductive film 7200, the conductive film 7210, and the oxide semiconductor layer 7150 An insulating film 7220 is formed so as to cover the surface. The insulating film 7220 preferably contains as little moisture, impurities as hydrogen and oxygen, and may be a single-layer insulating film or a plurality of stacked insulating films. When hydrogen is contained in the insulating film 7220, the hydrogen penetrates into the oxide semiconductor layer, or hydrogen extracts oxygen in the oxide semiconductor layer, so that the back channel portion of the oxide semiconductor layer has low resistance (n-type reduction). And a parasitic channel may be formed. Therefore, it is important not to use hydrogen in the deposition method so that the insulating film 7220 contains as little hydrogen as possible. It is preferable to use a material having a high barrier property for the insulating film 7220. For example, a silicon nitride film, a silicon nitride oxide film, an aluminum nitride film, an aluminum nitride oxide film, or the like can be used as the insulating film having a high barrier property. In the case of using a plurality of stacked insulating films, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film having a low nitrogen content is placed closer to the oxide semiconductor layer 7150 than the insulating film having a high barrier property. Form. Then, with the insulating film having a low nitrogen content interposed therebetween, the conductive film 7160, the conductive film 7170, the conductive film 7180, the conductive film 7190, the conductive film 7200, the conductive film 7210, and the oxide semiconductor layer 7150 are overlapped with each other. An insulating film having a high barrier property is formed. By using an insulating film having a high barrier property, impurities such as moisture or hydrogen are present in the oxide semiconductor layer 7150, the gate insulating film 7140, or the interface between the oxide semiconductor layer 7150 and another insulating film and the vicinity thereof. It can be prevented from entering. Further, by forming an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film having a low nitrogen ratio so as to be in contact with the oxide semiconductor layer 7150, the insulating film using a material having a high barrier property can be directly formed. 7150 can be prevented from touching.
本実施の形態では、スパッタ法で形成された膜厚200nmの酸化珪素膜上に、スパッタ法で形成された膜厚100nmの窒化珪素膜を積層させた構造を有する、絶縁膜7220を形成する。成膜時の基板温度は、室温以上300℃以下とすればよく、本実施の形態では100℃とする。 In this embodiment, the insulating film 7220 having a structure in which a silicon nitride film with a thickness of 100 nm formed by a sputtering method is stacked over a silicon oxide film with a thickness of 200 nm formed by a sputtering method is formed. The substrate temperature at the time of film formation may be from room temperature to 300 ° C., and is 100 ° C. in this embodiment.
なお、絶縁膜7220を形成した後に、加熱処理を施しても良い。加熱処理は、窒素、超乾燥空気、又は希ガス(アルゴン、ヘリウムなど)の雰囲気下において、好ましくは200℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下で行う。上記ガスは、水の含有量が20ppm以下、好ましくは1ppm以下、より好ましくは10ppb以下であることが望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時間の加熱処理を行う。或いは、導電膜7160、導電膜7170、導電膜7180、導電膜7190、導電膜7200、導電膜7210を形成する前に、水分又は水素を低減させるための酸化物半導体層に対して行った先の加熱処理と同様に、高温短時間のRTA処理を行っても良い。酸素を含む絶縁膜7220が設けられた後に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体層に対して行った先の加熱処理により、酸化物半導体層7150に酸素欠損が発生していたとしても、絶縁膜7220から酸化物半導体層7150に酸素が供与される。そして、酸化物半導体層7150に酸素が供与されることで、酸化物半導体層7150において、ドナーとなる酸素欠損を低減することが可能である。酸化物半導体層7150には、化学量論的組成を超える量の酸素が含まれていることが好ましい。その結果、酸化物半導体層7150をi型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。この加熱処理を行うタイミングは、絶縁膜7220の形成後であれば特に限定されず、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透明導電膜を低抵抗化させるための加熱処理と兼ねることで、工程数を増やすことなく、酸化物半導体層7150をi型に近づけることができる。 Note that heat treatment may be performed after the insulating film 7220 is formed. The heat treatment is preferably performed at 200 ° C. to 400 ° C., for example, 250 ° C. to 350 ° C. in an atmosphere of nitrogen, ultra-dry air, or a rare gas (such as argon or helium). The gas preferably has a water content of 20 ppm or less, preferably 1 ppm or less, more preferably 10 ppb or less. In this embodiment, for example, heat treatment is performed at 250 ° C. for one hour in a nitrogen atmosphere. Alternatively, before the conductive film 7160, the conductive film 7170, the conductive film 7180, the conductive film 7190, the conductive film 7200, and the conductive film 7210 are formed, an oxide semiconductor layer for reducing moisture or hydrogen is formed. Similarly to the heat treatment, RTA treatment at a high temperature for a short time may be performed. The heat treatment is performed after the insulating film 7220 containing oxygen is provided, so that oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor layer 7150 due to the previous heat treatment performed on the oxide semiconductor layer. In addition, oxygen is supplied from the insulating film 7220 to the oxide semiconductor layer 7150. Then, by supplying oxygen to the oxide semiconductor layer 7150, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor layer 7150 can be reduced. The oxide semiconductor layer 7150 preferably contains oxygen in an amount exceeding the stoichiometric composition. As a result, the oxide semiconductor layer 7150 can be made to be i-type, variation in electrical characteristics of the transistor due to oxygen deficiency can be reduced, and electrical characteristics can be improved. The timing of performing this heat treatment is not particularly limited as long as it is after the formation of the insulating film 7220, and also serves as another process, for example, heat treatment at the time of resin film formation or heat treatment for reducing the resistance of the transparent conductive film. Thus, the oxide semiconductor layer 7150 can be made to be i-type without increasing the number of steps.
また、酸素雰囲気下で酸化物半導体層7150に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸素を添加し、酸化物半導体層7150中においてドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。加熱処理の温度は、例えば100℃以上350℃未満、好ましくは150℃以上250℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち酸素中の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。 Alternatively, oxygen vacancies serving as donors in the oxide semiconductor layer 7150 may be reduced by performing heat treatment on the oxide semiconductor layer 7150 in an oxygen atmosphere so that oxygen is added to the oxide semiconductor. The temperature of the heat treatment is, for example, 100 ° C. or higher and lower than 350 ° C., preferably 150 ° C. or higher and lower than 250 ° C. The oxygen gas used for the heat treatment under the oxygen atmosphere preferably does not contain water, hydrogen, or the like. Alternatively, the purity of the oxygen gas introduced into the heat treatment apparatus is 6N (99.9999%) or more, preferably 7N (99.99999%) or more (that is, the impurity concentration in oxygen is 1 ppm or less, preferably 0.1 ppm). Or less).
或いは、イオン注入法又はイオンドーピング法などを用いて、酸化物半導体層7150に酸素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させても良い。例えば、2.45GHzのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体層7150に添加すれば良い。 Alternatively, oxygen vacancies serving as donors may be reduced by adding oxygen to the oxide semiconductor layer 7150 by an ion implantation method, an ion doping method, or the like. For example, oxygen that is plasmatized with a microwave of 2.45 GHz may be added to the oxide semiconductor layer 7150.
なお、絶縁膜7220上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで、酸化物半導体層7150と重なる位置にバックゲート電極を形成しても良い。バックゲート電極を形成した場合は、バックゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するのが望ましい。バックゲート電極は、ゲート電極7130、或いは導電膜7160、導電膜7170、導電膜7180、導電膜7190、導電膜7200、導電膜7210と同様の材料、構造を用いて形成することが可能である。 Note that after a conductive film is formed over the insulating film 7220, the back gate electrode may be formed in a position overlapping with the oxide semiconductor layer 7150 by patterning the conductive film. When the back gate electrode is formed, it is desirable to form an insulating film so as to cover the back gate electrode. The back gate electrode can be formed using the same material and structure as the gate electrode 7130 or the conductive film 7160, the conductive film 7170, the conductive film 7180, the conductive film 7190, the conductive film 7200, and the conductive film 7210.
バックゲート電極の膜厚は、10nm〜400nm、好ましくは100nm〜200nmとする。例えば、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜が積層された構造を有する導電膜を形成した後、フォトリソグラフィ法などによりレジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して、該導電膜を所望の形状に加工(パターニング)することで、バックゲート電極を形成すると良い。 The thickness of the back gate electrode is 10 nm to 400 nm, preferably 100 nm to 200 nm. For example, after a conductive film having a structure in which a titanium film, an aluminum film, and a titanium film are stacked is formed, a resist mask is formed by a photolithography method or the like, and unnecessary portions are removed by etching, so that the conductive film is desired. It is preferable to form a back gate electrode by processing (patterning) into the shape.
以上の工程により、トランジスタ7240が形成される。 Through the above process, the transistor 7240 is formed.
トランジスタ7240は、ゲート電極7130と、ゲート電極7130上のゲート絶縁膜7140と、ゲート絶縁膜7140上においてゲート電極7130と重なっている酸化物半導体層7150と、酸化物半導体層7150上に形成された一対の導電膜(導電膜7200及び導電膜7210)とを有する。さらに、トランジスタ7240は、絶縁膜7220を、その構成要素に含めても良い。図19(C)に示すトランジスタ7240は、導電膜7200と導電膜7210の間において、酸化物半導体層7150の一部がエッチングされたチャネルエッチ構造である。 The transistor 7240 is formed over the gate electrode 7130, the gate insulating film 7140 over the gate electrode 7130, the oxide semiconductor layer 7150 overlapping with the gate electrode 7130 over the gate insulating film 7140, and the oxide semiconductor layer 7150. A pair of conductive films (a conductive film 7200 and a conductive film 7210) is included. Further, the transistor 7240 may include the insulating film 7220 in its constituent elements. A transistor 7240 illustrated in FIG. 19C has a channel-etched structure in which part of the oxide semiconductor layer 7150 is etched between the conductive films 7200 and 7210.
なお、トランジスタ7240はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。 Note that although the transistor 7240 is described using a single-gate transistor, a multi-gate transistor including a plurality of channel formation regions by including a plurality of electrically connected gate electrodes as necessary can be used. Can be formed.
なお、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜(本実施の形態においては、ゲート絶縁膜7140、絶縁膜7220が該当する。)は、第13族元素及び酸素を含む絶縁材料を用いるようにしても良い。酸化物半導体材料には第13族元素を含むものが多く、第13族元素を含む絶縁材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体層に接する絶縁膜に用いることで、酸化物半導体層との界面の状態を良好に保つことができる。 Note that as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 7150 (in this embodiment, the gate insulating film 7140 and the insulating film 7220 are included), an insulating material containing a Group 13 element and oxygen may be used. good. Many oxide semiconductor materials contain a Group 13 element, and an insulating material containing a Group 13 element has good compatibility with an oxide semiconductor. By using this for an insulating film in contact with the oxide semiconductor layer, oxidation can be performed. The state of the interface with the physical semiconductor layer can be kept good.
第13族元素を含む絶縁材料とは、絶縁材料に一又は複数の第13族元素を含むことを意味する。第13族元素を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどがある。ここで、酸化アルミニウムガリウムとは、ガリウムの含有量(原子%)よりアルミニウムの含有量(原子%)が多いものを示し、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量(原子%)がアルミニウムの含有量(原子%)以上のものを示す。 An insulating material containing a Group 13 element means that the insulating material contains one or more Group 13 elements. Examples of the insulating material containing a Group 13 element include gallium oxide, aluminum oxide, aluminum gallium oxide, and gallium aluminum oxide. Here, aluminum gallium oxide indicates that the aluminum content (atomic%) is higher than gallium content (atomic%), and gallium aluminum oxide means that the gallium aluminum content (atomic%) contains aluminum. The amount (atomic%) or more is shown.
また、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜として、酸素を含む無機材料(酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなど)を用いても良い。酸素を含む無機材料を絶縁膜に用いることで、水分又は水素を低減させるための加熱処理により酸化物半導体層中に酸素欠損が発生していたとしても、酸化物半導体層に絶縁膜から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低減することが可能である。 Alternatively, an inorganic material containing oxygen (such as silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride oxide) may be used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 7150. By using an inorganic material containing oxygen for the insulating film, oxygen from the insulating film is generated in the oxide semiconductor layer even if oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor layer by heat treatment for reducing moisture or hydrogen. It is possible to reduce oxygen vacancies that are supplied and serve as donors.
例えば、ガリウムを含有する酸化物半導体層に接して絶縁膜を形成する場合に、絶縁膜に酸化ガリウムを含む材料を用いることで酸化物半導体層と絶縁膜の界面特性を良好に保つことができる。例えば、酸化物半導体層と酸化ガリウムを含む絶縁膜とを接して設けることにより、酸化物半導体層と絶縁膜の界面における水素のパイルアップを低減することができる。なお、絶縁膜に酸化物半導体層の成分元素と同じ族の元素を用いる場合には、同様の効果を得ることが可能である。例えば、酸化アルミニウムを含む材料を用いて絶縁膜を形成することも有効である。なお、酸化アルミニウムは、水を透過させにくいという特性を有しているため、当該材料を用いることは、酸化物半導体層への水の侵入防止という点においても好ましい。 For example, when an insulating film is formed in contact with an oxide semiconductor layer containing gallium, the interface characteristics between the oxide semiconductor layer and the insulating film can be kept favorable by using a material containing gallium oxide for the insulating film. . For example, when an oxide semiconductor layer and an insulating film containing gallium oxide are provided in contact with each other, pileup of hydrogen at the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating film can be reduced. Note that in the case where an element in the same group as a constituent element of the oxide semiconductor layer is used for the insulating film, a similar effect can be obtained. For example, it is also effective to form an insulating film using a material containing aluminum oxide. Note that aluminum oxide has a characteristic that water is difficult to permeate, and thus the use of the material is preferable in terms of preventing water from entering the oxide semiconductor layer.
また、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜は、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープなどにより、絶縁材料を化学量論的組成より酸素が多い状態とすることが好ましい。酸素ドープとは、酸素をバルクに添加することをいう。なお、当該バルクの用語は、酸素を薄膜表面のみでなく薄膜内部に添加することを明確にする趣旨で用いている。また、酸素ドープには、プラズマ化した酸素をバルクに添加する酸素プラズマドープが含まれる。また、酸素ドープは、イオン注入法又はイオンドーピング法を用いて行ってもよい。 The insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 7150 is preferably in a state where the amount of oxygen in the insulating material is higher than that in the stoichiometric composition by heat treatment in an oxygen atmosphere, oxygen doping, or the like. Oxygen doping means adding oxygen to the bulk. The term “bulk” is used for the purpose of clarifying that oxygen is added not only to the surface of the thin film but also to the inside of the thin film. The oxygen dope includes oxygen plasma dope in which plasma oxygen is added to the bulk. Further, oxygen doping may be performed using an ion implantation method or an ion doping method.
例えば、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜として酸化ガリウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムの組成をGa2OX(X=3+α、0<α<1)とすることができる。 For example, in the case where gallium oxide is used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 7150, the composition of gallium oxide is changed to Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. <1).
また、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜として酸化アルミニウムを用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化アルミニウムの組成をAl2OX(X=3+α、0<α<1)とすることができる。 In the case where aluminum oxide is used for the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 7150, the composition of the aluminum oxide is changed to Al 2 O X (X = 3 + α, 0 <α by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. <1).
また、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜として酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)を用いた場合、酸素雰囲気下による熱処理や、酸素ドープを行うことにより、酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)の組成をGaXAl2−XO3+α(0<X<2、0<α<1)とすることができる。 In the case where gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) is used as the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 7150, the composition of gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) is changed by performing heat treatment in an oxygen atmosphere or oxygen doping. Ga X Al 2-X O 3 + α (0 <X <2,0 <α <1) can be.
酸素ドープ処理を行うことにより、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を形成することができる。このような領域を備える絶縁膜と酸化物半導体層が接することにより、絶縁膜中の過剰な酸素が酸化物半導体層に供給され、酸化物半導体層中、又は酸化物半導体層と絶縁膜の界面における酸素欠陥を低減し、酸化物半導体層をi型化又はi型に限りなく近い酸化物半導体とすることができる。 By performing oxygen doping treatment, an insulating film having a region where oxygen is higher than that in the stoichiometric composition can be formed. When the insulating film including such a region is in contact with the oxide semiconductor layer, excess oxygen in the insulating film is supplied to the oxide semiconductor layer, and the oxide semiconductor layer or the interface between the oxide semiconductor layer and the insulating film is supplied. Thus, the oxide semiconductor layer can be i-type or an oxide semiconductor close to i-type.
なお、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜は、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜のうち、上層に位置する絶縁膜又は下層に位置する絶縁膜のうち、どちらか一方のみに用いても良いが、両方の絶縁膜に用いる方が好ましい。化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜を、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜の、上層及び下層に位置する絶縁膜に用い、酸化物半導体層7150を挟む構成とすることで、上記効果をより高めることができる。 Note that the insulating film having a region containing more oxygen than the stoichiometric composition is only one of the insulating film located in the upper layer and the insulating film located in the lower layer among the insulating films in contact with the oxide semiconductor layer 7150. However, it is preferable to use it for both insulating films. By using an insulating film having a region containing more oxygen than the stoichiometric composition as an insulating film located in an upper layer and a lower layer of the insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 7150 and sandwiching the oxide semiconductor layer 7150, The above effects can be further enhanced.
また、酸化物半導体層7150の上層又は下層に用いる絶縁膜は、上層と下層で同じ構成元素を有する絶縁膜としても良いし、異なる構成元素を有する絶縁膜としても良い。例えば、上層と下層とも、組成がGa2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムとしても良いし、上層と下層の一方を組成がGa2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムとし、他方を組成がAl2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化アルミニウムとしても良い。 The insulating film used for the upper layer or the lower layer of the oxide semiconductor layer 7150 may be an insulating film having the same constituent element in the upper layer and the lower layer, or may be an insulating film having different constituent elements. For example, the upper layer and the lower layer may be gallium oxide having a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1), and one of the upper layer and the lower layer may have a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <Α <1) may be gallium oxide, and the other may be aluminum oxide having a composition of Al 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1).
また、酸化物半導体層7150に接する絶縁膜は、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。例えば、酸化物半導体層7150の上層に組成がGa2OX(X=3+α、0<α<1)の酸化ガリウムを形成し、その上に組成がGaXAl2−XO3+α(0<X<2、0<α<1)の酸化ガリウムアルミニウム(酸化アルミニウムガリウム)を形成してもよい。なお、酸化物半導体層7150の下層を、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良いし、酸化物半導体層7150の上層及び下層の両方を、化学量論的組成より酸素が多い領域を有する絶縁膜の積層としても良い。 The insulating film in contact with the oxide semiconductor layer 7150 may be a stack of insulating films having a region where oxygen is higher than that in the stoichiometric composition. For example, gallium oxide having a composition of Ga 2 O X (X = 3 + α, 0 <α <1) is formed over the oxide semiconductor layer 7150, and the composition thereof is Ga X Al 2 -X O 3 + α (0 < You may form the gallium aluminum oxide (aluminum gallium oxide) of X <2, 0 <α <1). Note that the lower layer of the oxide semiconductor layer 7150 may be a stack of insulating films having a region containing more oxygen than the stoichiometric composition, and both the upper layer and the lower layer of the oxide semiconductor layer 7150 may have a stoichiometric composition. An insulating film including a region containing more oxygen may be stacked.
フォトダイオード7040は、図3、図17等で示したフォトダイオード402として用いることができる。nチャネル型トランジスタ7050は、図3、図17等で示したトランジスタ404、トランジスタ405として用いることができる。トランジスタ7240は、図3、図17等で示したトランジスタ403として用いることができる。また、トランジスタ7240は、図3、図17等で示したトランジスタ404、トランジスタ405として用いてもよい。 The photodiode 7040 can be used as the photodiode 402 illustrated in FIGS. The n-channel transistor 7050 can be used as the transistor 404 or the transistor 405 illustrated in FIGS. The transistor 7240 can be used as the transistor 403 illustrated in FIGS. The transistor 7240 may be used as the transistor 404 or the transistor 405 illustrated in FIGS.
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with the above embodiment.
(実施の形態9)
本実施の形態では、実施の形態8とは異なる構造を有する、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタについて説明する。
(Embodiment 9)
In this embodiment, a transistor in which a channel is formed in an oxide semiconductor layer, which has a structure different from that in Embodiment 8, will be described.
図20(A)に示すフォトセンサでは、実施の形態8と同様に、フォトダイオード7040と、nチャネル型トランジスタ7050とを有している。そして、図20(A)では、フォトダイオード7040と、nチャネル型トランジスタ7050上に、チャネル保護構造のボトムゲート型のトランジスタ7240aが形成されている。 The photosensor illustrated in FIG. 20A includes a photodiode 7040 and an n-channel transistor 7050 as in Embodiment 8. In FIG. 20A, a bottom-gate transistor 7240a having a channel protection structure is formed over the photodiode 7040 and the n-channel transistor 7050.
トランジスタ7240aは、絶縁膜7120上に形成されたゲート電極7300と、ゲート電極7300上のゲート絶縁膜7310と、ゲート絶縁膜7310上においてゲート電極7300と重なっている酸化物半導体層7320と、ゲート電極7300と重なる位置において酸化物半導体層7320上に形成されたチャネル保護膜7330と、酸化物半導体層7320上に形成された導電膜7340、導電膜7350とを有する。さらに、トランジスタ7240aは、導電膜7340、導電膜7350及びチャネル保護膜7330上に形成された絶縁膜7360を、その構成要素に含めても良い。 The transistor 7240a includes a gate electrode 7300 formed over the insulating film 7120, a gate insulating film 7310 over the gate electrode 7300, an oxide semiconductor layer 7320 overlapping with the gate electrode 7300 over the gate insulating film 7310, a gate electrode A channel protective film 7330 formed over the oxide semiconductor layer 7320 and a conductive film 7340 and a conductive film 7350 formed over the oxide semiconductor layer 7320 are provided at positions overlapping with 7300. Further, the transistor 7240a may include an insulating film 7360 formed over the conductive film 7340, the conductive film 7350, and the channel protective film 7330 as its components.
チャネル保護膜7330を設けることによって、酸化物半導体層7320のチャネル形成領域となる部分に対する、後の工程における、エッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りなどのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタ7240aの信頼性を向上させることができる。 By providing the channel protective film 7330, damage to the portion of the oxide semiconductor layer 7320 that serves as a channel formation region, such as film loss due to plasma or an etchant during etching, in a later step can be prevented. Accordingly, the reliability of the transistor 7240a can be improved.
チャネル保護膜7330には、酸素を含む無機材料(酸化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、又は酸化窒化アルミニウムなど)を用いることができる。チャネル保護膜7330は、プラズマCVD法や熱CVD法などの気相成長法やスパッタリング法を用いて形成することができる。チャネル保護膜7330は成膜後にエッチングにより形状を加工する。ここでは、スパッタ法により酸化珪素膜を形成し、フォトリソグラフィによるマスクを用いてエッチング加工することでチャネル保護膜7330を形成する。 For the channel protective film 7330, an inorganic material containing oxygen (such as silicon oxide, silicon nitride oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, or aluminum oxynitride) can be used. The channel protective film 7330 can be formed by a vapor deposition method such as a plasma CVD method or a thermal CVD method, or a sputtering method. The channel protective film 7330 is processed by etching after the film formation. Here, a channel protection film 7330 is formed by forming a silicon oxide film by a sputtering method and performing etching using a photolithography mask.
酸素を含む無機材料をチャネル保護膜7330に用いることで、水分又は水素を低減させるための加熱処理により酸化物半導体層7320中に酸素欠損が発生していたとしても、酸化物半導体層7320にチャネル保護膜7330から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低減することが可能である。よって、チャネル形成領域を、i型に近づけることができ、酸素欠損によるトランジスタ7240aの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することができる。 Even when oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor layer 7320 due to heat treatment for reducing moisture or hydrogen by using an inorganic material containing oxygen for the channel protective film 7330, a channel is formed in the oxide semiconductor layer 7320. Oxygen is supplied from the protective film 7330 so that oxygen vacancies serving as donors can be reduced. Thus, the channel formation region can be made closer to i-type, variation in electric characteristics of the transistor 7240a due to oxygen vacancies can be reduced, and improvement in electric characteristics can be realized.
図20(B)に示すフォトセンサでは、実施の形態8と同様に、フォトダイオード7040と、nチャネル型トランジスタ7050を有している。そして、図20(B)では、フォトダイオード7040と、nチャネル型トランジスタ7050上に、ボトムコンタクト型のトランジスタ7240bが形成されている。 The photosensor illustrated in FIG. 20B includes a photodiode 7040 and an n-channel transistor 7050 as in Embodiment 8. In FIG. 20B, a bottom-contact transistor 7240b is formed over the photodiode 7040 and the n-channel transistor 7050.
トランジスタ7240bは、絶縁膜7120上に形成されたゲート電極7410と、ゲート電極7410上のゲート絶縁膜7420と、ゲート絶縁膜7420上の導電膜7430、導電膜7440と、ゲート絶縁膜7420を間に挟んでゲート電極7410と重なっている酸化物半導体層7450と、を有する。さらに、トランジスタ7240bは、酸化物半導体層7450上に形成された絶縁膜7460を、その構成要素に含めても良い。 The transistor 7240b includes a gate electrode 7410 formed over the insulating film 7120, a gate insulating film 7420 on the gate electrode 7410, a conductive film 7430, a conductive film 7440, and a gate insulating film 7420 on the gate insulating film 7420. And an oxide semiconductor layer 7450 which overlaps with the gate electrode 7410. Further, the transistor 7240b may include an insulating film 7460 formed over the oxide semiconductor layer 7450 as its constituent elements.
なお、図20(A)、図20(B)に示したトランジスタ7240a、7240bは、バックゲート電極をさらに有していても良い。 Note that the transistors 7240a and 7240b illustrated in FIGS. 20A and 20B may further include a back gate electrode.
図20(C)に示すフォトセンサでは、実施の形態8と同様に、フォトダイオード7040と、nチャネル型トランジスタ7050を有している。そして、図20(C)では、フォトダイオード7040と、nチャネル型トランジスタ7050上に、トップコンタクト型のトランジスタ7240cが形成されている。 The photosensor illustrated in FIG. 20C includes a photodiode 7040 and an n-channel transistor 7050 as in Embodiment 8. In FIG. 20C, a top contact transistor 7240c is formed over the photodiode 7040 and the n-channel transistor 7050.
トランジスタ7240cは、絶縁膜7120上に形成された酸化物半導体層7550と、酸化物半導体層7550上の導電膜7530及び導電膜7540と、酸化物半導体層7550、導電膜7530及び導電膜7540上のゲート絶縁膜7520と、ゲート絶縁膜7520を間に挟んで酸化物半導体層7550と重なっているゲート電極7510と、を有する。さらに、トランジスタ7240cは、ゲート電極7510上に形成された絶縁膜7560を、その構成要素に含めても良い。 The transistor 7240c includes the oxide semiconductor layer 7550 formed over the insulating film 7120, the conductive film 7530 and the conductive film 7540 over the oxide semiconductor layer 7550, and the oxide semiconductor layer 7550, the conductive film 7530, and the conductive film 7540. A gate insulating film 7520 and a gate electrode 7510 which overlaps with the oxide semiconductor layer 7550 with the gate insulating film 7520 provided therebetween are provided. Further, the transistor 7240c may include an insulating film 7560 formed over the gate electrode 7510 as its component.
図20(D)に示すフォトセンサでは、実施の形態8と同様に、フォトダイオード7040と、nチャネル型トランジスタ7050を有している。そして、図20(D)では、フォトダイオード7040と、nチャネル型トランジスタ7050上に、トップコンタクト型のトランジスタ7240dが形成されている。 The photosensor illustrated in FIG. 20D includes a photodiode 7040 and an n-channel transistor 7050 as in Embodiment 8. In FIG. 20D, a top contact transistor 7240d is formed over the photodiode 7040 and the n-channel transistor 7050.
トランジスタ7240dは、絶縁膜7120上に形成された導電膜7630及び導電膜7640と、導電膜7630及び導電膜7640上の酸化物半導体層7650と、酸化物半導体層7650、導電膜7630及び導電膜7640上のゲート絶縁膜7620と、ゲート絶縁膜7620を間に挟んで酸化物半導体層7650と重なっているゲート電極7610と、を有する。さらに、トランジスタ7240dは、ゲート電極7610上に形成された絶縁膜7660を、その構成要素に含めても良い。 The transistor 7240d includes the conductive film 7630 and the conductive film 7640 formed over the insulating film 7120, the oxide semiconductor layer 7650 over the conductive film 7630 and the conductive film 7640, the oxide semiconductor layer 7650, the conductive film 7630, and the conductive film 7640. The upper gate insulating film 7620 and the gate electrode 7610 which overlaps with the oxide semiconductor layer 7650 with the gate insulating film 7620 provided therebetween are included. Further, the transistor 7240d may include an insulating film 7660 formed over the gate electrode 7610 as its component.
フォトダイオード7040は、図3、図17等で示したフォトダイオード402として用いることができる。nチャネル型トランジスタ7050は、図3、図17等で示したトランジスタ404、トランジスタ405として用いることができる。トランジスタ7240a〜dは、それぞれ、図3、図17等で示したトランジスタ403として用いることができる。また、トランジスタ7240a〜dは、それぞれ、図3、図17等で示したトランジスタ404、トランジスタ405として用いてもよい。 The photodiode 7040 can be used as the photodiode 402 illustrated in FIGS. The n-channel transistor 7050 can be used as the transistor 404 or the transistor 405 illustrated in FIGS. The transistors 7240a to 7240d can be used as the transistor 403 illustrated in FIGS. Alternatively, the transistors 7240a to 7240d may be used as the transistor 404 and the transistor 405 illustrated in FIGS.
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。 This embodiment can be implemented in combination with the above embodiment.
(実施の形態10)
本実施の形態では、実施の形態3で示した隣接するフォトセンサ700_n、及びフォトセンサ700_(n+1)の構成について、より詳細に説明する。m行k列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを有する撮像装置の構成の一例について図21を用いて、図21とは別の構成の一例について図22を用いて説明する。
(Embodiment 10)
In this embodiment, structures of the adjacent photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) described in Embodiment 3 will be described in more detail. An example of a configuration of an imaging device having photosensors arranged in a matrix of m rows and k columns will be described with reference to FIG. 21, and an example of a configuration different from FIG. 21 will be described with reference to FIG.
図21では、フォトセンサ700_n、及びフォトセンサ700_(n+1)が隣接列において、被写体の同一点からの反射光を検出する例を示している。図22では、フォトセンサ700_n、及びフォトセンサ700_(n+1)が隣接行において、被写体の同一点からの反射光を検出する例を示している。なお、どちらの構成においても、同様の効果を得ることができるため、該構成は限定されない。 FIG. 21 illustrates an example in which the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) detect reflected light from the same point of the subject in adjacent columns. FIG. 22 illustrates an example in which the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) detect reflected light from the same point of the subject in adjacent rows. In both configurations, the same effect can be obtained, and the configuration is not limited.
図21では、複数のフォトセンサがm(mは2以上の自然数)行k(kは2以上の自然数)列のマトリクス状に配置されている。例えば、1行目の隣接するフォトセンサ700_n、及びフォトセンサ700_(n+1)において、被写体の同一点からの反射光を検出する。同様に、n行目の隣接するフォトセンサ700_n、及びフォトセンサ700_(n+1)において、被写体の同一点からの反射光を検出する。 In FIG. 21, a plurality of photosensors are arranged in a matrix of m (m is a natural number of 2 or more) rows k (k is a natural number of 2 or more) columns. For example, reflected light from the same point of the subject is detected in the adjacent photo sensor 700_n and photo sensor 700_ (n + 1) in the first row. Similarly, reflected light from the same point of the subject is detected by the adjacent photo sensor 700_n and photo sensor 700_ (n + 1) in the n-th row.
n列目のフォトセンサ700_n(1行目のフォトセンサ700_n〜m行目のフォトセンサ700_n)は、複数の信号線11_n(1行目の11_n〜m行目の11_n)のいずれか1つと、複数の信号線12_n(1行目の12_n〜m行目の12_n)のいずれか1つと、複数の信号線13_n(1行目の13_n〜m行目の13_n)のいずれか1つと電気的に接続されている。 The n-th column photosensor 700_n (first-row photosensor 700_n to m-th row photosensor 700_n) includes one of a plurality of signal lines 11_n (first row 11_n to m-th row 11_n), It is electrically connected to any one of the plurality of signal lines 12_n (12_n in the first row to 12_n in the m-th row) and one of the plurality of signal lines 13_n (13_n in the first row to 13_n in the m-th row). It is connected.
また、(n+1)列目のフォトセンサ700_(n+1)(1行目のフォトセンサ700_(n+1)〜m行目のフォトセンサ700_(n+1))は、複数の信号線11_(n+1)(1行目の11_(n+1)〜m行目の11_(n+1))のいずれか1つと、複数の信号線12_(n+1)(1行目の12_(n+1)〜m行目の12_(n+1))のいずれか1つと、複数の信号線13_(n+1)(1行目の13_(n+1)〜m行目の13_(n+1))のいずれか1つと電気的に接続されている。 In addition, the photosensor 700_ (n + 1) in the (n + 1) th column (the photosensor 700_ (n + 1) in the first row to the photosensor 700_ (n + 1) in the mth row) includes a plurality of signal lines 11_ (n + 1) (one row). Any one of 11_ (n + 1) to mth row 11_ (n + 1)) and a plurality of signal lines 12_ (n + 1) (first row 12_ (n + 1) to mth row 12_ (n + 1)) Any one of them is electrically connected to any one of a plurality of signal lines 13_ (n + 1) (first row 13_ (n + 1) to mth row 13_ (n + 1)).
n列目のフォトセンサ700_n(1行目のフォトセンサ700_n〜m行目のフォトセンサ700_n)は、フォトセンサ出力信号線及びフォトセンサ基準信号線を共有している。例えば、n列目のフォトセンサ出力信号線(16_nと表記する)は、n列目のフォトセンサ700_n(1行目のフォトセンサ700_n〜m行目のフォトセンサ700_n)と電気的に接続され、n列目のフォトセンサ基準信号線(15_nと表記する)もまた、n列目のフォトセンサ700_n(1行目のフォトセンサ700_n〜m行目のフォトセンサ700_n)と電気的に接続されている。 The photosensor 700_n in the n-th column (the photosensor 700_n in the first row to the photosensor 700_n in the m-th row) shares the photosensor output signal line and the photosensor reference signal line. For example, the n-th column photosensor output signal line (represented as 16_n) is electrically connected to the n-th column photosensor 700_n (first row photosensor 700_n to mth row photosensor 700_n), The n-th column photosensor reference signal line (denoted as 15_n) is also electrically connected to the n-th column photosensor 700_n (first row photosensor 700_n to mth row photosensor 700_n). .
また、(n+1)列目のフォトセンサ700_(n+1)(1行目のフォトセンサ700_(n+1)〜m行目のフォトセンサ700_(n+1))は、フォトセンサ出力信号線及びフォトセンサ基準信号線を共有している。例えば、(n+1)列目のフォトセンサ出力信号線(16_(n+1)と表記する)は、(n+1)列目のフォトセンサ700_(n+1)(1行目のフォトセンサ700_(n+1)〜m行目のフォトセンサ700_(n+1))と電気的に接続され、(n+1)列目のフォトセンサ基準信号線(15_(n+1)と表記する)もまた、(n+1)列目のフォトセンサ700_(n+1)(1行目のフォトセンサ700_(n+1)〜m行目のフォトセンサ700_(n+1))と電気的に接続されている。 Further, the photosensor 700_ (n + 1) in the (n + 1) th column (the photosensor 700_ (n + 1) in the first row to the photosensor 700_ (n + 1) in the mth row) includes a photosensor output signal line and a photosensor reference signal line. Share. For example, the (n + 1) th column photosensor output signal line (represented as 16_ (n + 1)) is the (n + 1) th column photosensor 700_ (n + 1) (first row photosensor 700_ (n + 1) to mth row). The photosensor reference signal line (denoted as 15_ (n + 1)) in the (n + 1) th column is also electrically connected to the photosensor 700_ (n + 1) in the (n + 1) th column. ) (Photo sensor 700_ (n + 1) in the first row to photo sensor 700_ (n + 1) in the m-th row).
図21では、n列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線15_nを共有し、(n+1)列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線15_(n+1)を共有している。また、n列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線16_nを共有し、(n+1)列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ出力信号線16_(n+1)を共有している。 In FIG. 21, the photosensor reference signal line 15_n is shared by the photosensors in the nth column, and the photosensor reference signal line 15_ (n + 1) is shared by the photosensors in the (n + 1) th column. Further, the photosensor output signal line 16_n is shared by the photosensors in the nth column, and the photosensor output signal line 16_ (n + 1) is shared by the photosensors in the (n + 1) th column.
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各列に複数本のフォトセンサ基準信号線15を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。また、各列に複数本のフォトセンサ出力信号線16を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。 However, the present invention is not limited to this. For example, a plurality of photosensor reference signal lines 15 may be provided in each column and electrically connected to different photosensors. Further, a plurality of photosensor output signal lines 16 may be provided in each column and electrically connected to different photosensors.
なお、図21では、フォトセンサ基準信号線15及びフォトセンサ出力信号線16を各列のフォトセンサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線15及びフォトセンサ出力信号線16は各行のフォトセンサにおいて共有しても良い。 FIG. 21 shows a configuration in which the photosensor reference signal line 15 and the photosensor output signal line 16 are shared by the photosensors in each column, but the present invention is not limited to this. The photo sensor reference signal line 15 and the photo sensor output signal line 16 may be shared by the photo sensors in each row.
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、m行k列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを駆動する駆動回路を簡略化することができる。 By sharing wiring and reducing the number of wirings as described above, a driving circuit for driving photosensors arranged in a matrix of m rows and k columns can be simplified.
次いで、m行k列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを有する撮像装置の図21とは別の構成の一例について図22を用いて説明する。図22では、複数のフォトセンサがm(mは2以上の自然数)行k(kは2以上の自然数)列のマトリクス状に配置されている。例えば、1列目の隣接するフォトセンサ700_n、及びフォトセンサ700_(n+1)において、被写体の同一点からの反射光を検出する。同様に、n列目の隣接するフォトセンサ700_n、及びフォトセンサ700_(n+1)において、被写体の同一点からの反射光を検出する。 Next, an example of a configuration different from that in FIG. 21 of the imaging device having photosensors arranged in a matrix of m rows and k columns will be described with reference to FIG. In FIG. 22, a plurality of photosensors are arranged in a matrix of m (m is a natural number of 2 or more) rows k (k is a natural number of 2 or more) columns. For example, reflected light from the same point of the subject is detected in the adjacent photosensor 700_n and photosensor 700_ (n + 1) in the first row. Similarly, reflected light from the same point of the subject is detected by the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) adjacent to the nth column.
n行目のフォトセンサ700_n(1列目のフォトセンサ700_n〜k列目のフォトセンサ700_n)は、複数の信号線11_n(1列目の11_n〜k列目の11_n)のいずれか1つと、複数の信号線12_n(1列目の12_n〜k列目の12_n)のいずれか1つと、複数のフォトセンサ出力信号線16_n(1列目の16_n〜k列目の16_n)のいずれか1つと電気的に接続されている。 The photosensor 700_n in the n-th row (the photosensor 700_n in the first column to the photosensor 700_n in the k-th column) has one of a plurality of signal lines 11_n (11_n in the first column to 11_n in the k-th column), Any one of a plurality of signal lines 12_n (12_n in the first column to 12_n in the k-th column) and any one of a plurality of photosensor output signal lines 16_n (16_n in the first column to 16_n in the k-th column) Electrically connected.
(n+1)行目のフォトセンサ700_(n+1)(1列目のフォトセンサ700_(n+1)〜k列目のフォトセンサ700_(n+1))は、複数の信号線11_(n+1)(1列目の11_(n+1)〜k列目の11_(n+1))のいずれか1つと、複数の信号線12_(n+1)(1列目の12_(n+1)〜k列目の12_(n+1))のいずれか1つと、複数のフォトセンサ出力信号線16_(n+1)(1列目の16_(n+1)〜k列目の16_(n+1))のいずれか1つと電気的に接続されている。 The photosensor 700_ (n + 1) in the (n + 1) th row (the photosensor 700_ (n + 1) in the first column to the photosensor 700_ (n + 1) in the kth column) includes a plurality of signal lines 11_ (n + 1) (in the first column). Any one of 11_ (n + 1) to 11_ (n + 1) in the kth column and a plurality of signal lines 12_ (n + 1) (12_ (n + 1) in the first column to 12_ (n + 1) in the kth column) One of the photosensor output signal lines 16_ (n + 1) (16_ (n + 1) in the first column to 16_ (n + 1) in the kth column) is electrically connected.
n行目のフォトセンサ700_n(1列目のフォトセンサ700_n〜k列目のフォトセンサ700_n)は、信号線13_nを共有している。また、(n+1)行目のフォトセンサ700_(n+1)(1列目のフォトセンサ700_(n+1)〜k列目のフォトセンサ700_(n+1))は、信号線13_(n+1)を共有している。例えば、n行目の信号線13_nは、n行目のフォトセンサ700_n(1列目のフォトセンサ700_n〜k列目のフォトセンサ700_n)と電気的に接続され、(n+1)行目の信号線13_(n+1)は、(n+1)行目のフォトセンサ700_(n+1)(1列目のフォトセンサ700_(n+1)〜k列目のフォトセンサ700_(n+1))と電気的に接続されている。 The photosensor 700_n in the n-th row (the photosensor 700_n in the first column to the photosensor 700_n in the k-th column) shares the signal line 13_n. The photosensor 700_ (n + 1) in the (n + 1) th row (the photosensor 700_ (n + 1) in the first column to the photosensor 700_ (n + 1) in the kth column) shares the signal line 13_ (n + 1). . For example, the signal line 13_n in the nth row is electrically connected to the photosensor 700_n in the nth row (the photosensor 700_n in the first column to the photosensor 700_n in the kth column), and the signal line in the (n + 1) th row. 13_ (n + 1) is electrically connected to the photosensor 700_ (n + 1) in the (n + 1) th row (the photosensor 700_ (n + 1) in the first column to the photosensor 700_ (n + 1) in the kth column).
また各列のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線15を共有している。例えば、図22に示すように、1列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線15を共有し、2列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線15を共有し、k列目のフォトセンサにおいてフォトセンサ基準信号線15を共有している。 The photosensor reference signal line 15 is shared by the photosensors in each column. For example, as shown in FIG. 22, the photosensor reference signal line 15 is shared by the photosensors in the first column, the photosensor reference signal line 15 is shared by the photosensors in the second column, and the photosensors in the kth column. The photo sensor reference signal line 15 is shared.
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各列に複数本のフォトセンサ基準信号線15を設けて互いに異なるフォトセンサと電気的に接続してもよい。 However, the present invention is not limited to this. For example, a plurality of photosensor reference signal lines 15 may be provided in each column and electrically connected to different photosensors.
なお、図22では、各列のフォトセンサにおいて、フォトセンサ基準信号線15を共有し、各行のフォトセンサにおいて信号線13を共有する構成を示したがこれに限定されない。フォトセンサ基準信号線15を各行のフォトセンサにおいて共有しても良いし、信号線13を各列のフォトセンサにおいて共有しても良い。 Note that although FIG. 22 shows a configuration in which the photosensor reference signal line 15 is shared by the photosensors in each column and the signal line 13 is shared by the photosensors in each row, the present invention is not limited to this. The photosensor reference signal line 15 may be shared by the photosensors in each row, or the signal line 13 may be shared by the photosensors in each column.
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、m行k列のマトリクス状に配置されたフォトセンサを駆動する駆動回路を簡略化することができる。 By sharing wiring and reducing the number of wirings as described above, a driving circuit for driving photosensors arranged in a matrix of m rows and k columns can be simplified.
なお、フォトセンサ700_n、フォトセンサ700_(n+1)の構成は、先に示したフォトセンサ400の構成と同様であるため、これらのフォトセンサの上面図及び断面図としては図18(A)(B)を参照できる。 Note that the structures of the photosensor 700_n and the photosensor 700_ (n + 1) are similar to those of the photosensor 400 described above; therefore, a top view and a cross-sectional view of these photosensors are illustrated in FIGS. ) Can be referred to.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態11)
本実施の形態では、撮像装置が有するフォトセンサをマトリクス状に複数配置する構成の一例について、図23を用いて説明する。なお、フォトセンサの構成や駆動方法は、実施の形態4を参照できる。
(Embodiment 11)
In this embodiment, an example of a structure in which a plurality of photosensors included in an imaging device are arranged in matrix will be described with reference to FIGS. Note that Embodiment 4 can be referred to for the configuration and driving method of the photosensor.
図23(A)では、複数のフォトセンサ800がm(mは2以上の自然数)行n(nは2以上の自然数)列のマトリクス状に配置されている。各行のフォトセンサ800は、複数の信号線11A(リセット信号線)(11A_1〜11A_mと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線12A(電荷蓄積信号線)(12A_1〜12A_mと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線13A(選択信号線)(13A_1〜13A_mと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線11B(リセット信号線)(11B_1〜11B_mと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線12B(電荷蓄積信号線)(12B_1〜12B_mと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線13B(選択信号線)(13B_1〜13B_mと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線15(フォトセンサ基準信号線)(15_1〜15_nと表記する)のいずれか1つと、電気的に接続されている例を示している。各列のフォトセンサ800は、複数の信号線16A(フォトセンサ出力信号線)(16A_1〜16A_nと表記する)のいずれか1つと、複数の信号線16B(フォトセンサ出力信号線)(16B_1〜16B_nと表記する)のいずれか1つと、電気的に接続されている例を示している。 In FIG. 23A, a plurality of photosensors 800 are arranged in a matrix of m (m is a natural number of 2 or more) rows n (n is a natural number of 2 or more) columns. The photosensor 800 in each row includes any one of a plurality of signal lines 11A (reset signal lines) (denoted as 11A_1 to 11A_m) and a plurality of signal lines 12A (charge storage signal lines) (denoted as 12A_1 to 12A_m). And any one of a plurality of signal lines 13A (selection signal lines) (denoted as 13A_1 to 13A_m) and a plurality of signal lines 11B (reset signal lines) (denoted as 11B_1 to 11B_m) Or any one of a plurality of signal lines 12B (charge storage signal lines) (denoted as 12B_1 to 12B_m) and any of a plurality of signal lines 13B (selection signal lines) (denoted as 13B_1 to 13B_m). One and a plurality of signal lines 15 (photo sensor reference signal lines) (denoted as 15_1 to 15_n) are electrically connected. Shows an example in which. The photosensor 800 in each column includes any one of a plurality of signal lines 16A (photosensor output signal lines) (indicated as 16A_1 to 16A_n) and a plurality of signal lines 16B (photosensor output signal lines) (16B_1 to 16B_n). And an example of being electrically connected.
図23では、各行のフォトセンサ800において信号線11A(リセット信号線)、信号線12A(電荷蓄積信号線)、信号線13A(選択信号線)、信号線11B(リセット信号線)、信号線12B(電荷蓄積信号線)、信号線13B(選択信号線)、信号線15(フォトセンサ基準信号線)を共有している。また、各行のフォトセンサ800において信号線16B(フォトセンサ出力信号線)、信号線16A(フォトセンサ出力信号線)を共有している。
なお、信号線の接続は上述の構成に限定されない。
In FIG. 23, in each row of photosensors 800, the signal line 11A (reset signal line), the signal line 12A (charge storage signal line), the signal line 13A (selection signal line), the signal line 11B (reset signal line), and the signal line 12B (Charge storage signal line), signal line 13B (selection signal line), and signal line 15 (photosensor reference signal line) are shared. Further, the photosensor 800 in each row shares a signal line 16B (photosensor output signal line) and a signal line 16A (photosensor output signal line).
Note that connection of signal lines is not limited to the above structure.
また、図23では、信号線15(フォトセンサ基準信号線)を各行のフォトセンサ800において共有する構成を示したがこれに限定されない。信号線15(フォトセンサ基準信号線)を各列のフォトセンサ800において共有しても良い。 FIG. 23 illustrates the configuration in which the signal line 15 (photosensor reference signal line) is shared by the photosensors 800 in each row, but is not limited thereto. The signal line 15 (photosensor reference signal line) may be shared by the photosensors 800 in each column.
また、図23(B)では、第1のフォトセンサ800Aにおける第1のフォトダイオード802A(802A_1〜802A_n)と、第2のフォトセンサ800Bにおける第2のフォトダイオード802B(802B_1〜802B_n)と、の配置を示す。ここで、被検出物から反射された光は、第1のフォトダイオード802A(802A_1〜802A_n)に先に入射する。従って、該被検出物から反射された光には、光源からの光と自然光の一方又は両方が被検出物に対して照射されて、該被検出物から反射されて、第1のフォトダイオード802Aに入射する可視光と、光源から被検出物に対して光が照射されて、該被検出物から反射されて、第2のフォトダイオード802Bに入射する赤外光とが含まれる。 In FIG. 23B, the first photodiode 802A (802A_1 to 802A_n) in the first photosensor 800A and the second photodiode 802B (802B_1 to 802B_n) in the second photosensor 800B are provided. Indicates placement. Here, the light reflected from the object to be detected first enters the first photodiode 802A (802A_1 to 802A_n). Therefore, the light reflected from the detected object is irradiated with one or both of light from the light source and natural light to the detected object, reflected from the detected object, and the first photodiode 802A. And the infrared light incident on the second photodiode 802 </ b> B after being irradiated from the light source to the object to be detected and reflected from the object to be detected.
可視光センサである第1のフォトダイオード802Aの半導体層である非晶質シリコンが外部より入射される可視光を吸収し、外部より入射される赤外光を透過する特性を有する。上記構成とすることで、第1のフォトダイオード802A(802A_1〜802A_n)で主に可視光を吸収し、第2のフォトダイオード802B(802B_1〜802B_n)で主に赤外光を吸収することが可能になる。また、赤外光センサである第2のフォトダイオードへの可視光の入射を低減することができる。したがって、第1のフォトセンサ800Aを可視光による2次元の撮像に用い、第2のフォトセンサ800Bを赤外光による3次元の撮像に用いることができ、フォトセンサの占有面積を縮小することができる。 Amorphous silicon which is a semiconductor layer of the first photodiode 802A which is a visible light sensor has a characteristic of absorbing visible light incident from the outside and transmitting infrared light incident from the outside. With the above structure, visible light can be mainly absorbed by the first photodiode 802A (802A_1 to 802A_n), and infrared light can be mainly absorbed by the second photodiode 802B (802B_1 to 802B_n). become. In addition, incidence of visible light on the second photodiode, which is an infrared light sensor, can be reduced. Therefore, the first photosensor 800A can be used for two-dimensional imaging with visible light, and the second photosensor 800B can be used for three-dimensional imaging with infrared light, so that the area occupied by the photosensor can be reduced. it can.
以上説明したように本実施の形態の構成では、可視光センサである第1のフォトセンサ800A及び赤外光センサである第2のフォトセンサ800Bを重畳して設けているため、撮像装置において、フォトセンサ800の専有面積を低減することができる。その結果、画素の微細化を達成しつつ2次元撮像と、TOF方式を適用した3次元撮像の一度の撮像が可能になる。 As described above, in the configuration of this embodiment, the first photosensor 800A that is a visible light sensor and the second photosensor 800B that is an infrared light sensor are provided so as to overlap with each other. The area occupied by the photosensor 800 can be reduced. As a result, it is possible to perform one-time imaging of two-dimensional imaging and three-dimensional imaging using the TOF method while achieving pixel miniaturization.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
(実施の形態12)
本実施の形態では、図24に図3及び図4で示すフォトセンサの上面図を示す。また、図24の一点鎖線A1―A2、A3−A4に対応する断面図を、図25(A)に、図24の一点鎖線B1−B2に対応する断面図を、図25(B)に示す。
(Embodiment 12)
In this embodiment mode, FIG. 24 shows a top view of the photosensor shown in FIGS. In addition, a cross-sectional view corresponding to one-dot chain lines A1-A2 and A3-A4 in FIG. 24 is shown in FIG. 25A, and a cross-sectional view corresponding to one-dot chain line B1-B2 in FIG. 24 is shown in FIG. .
図25(A)について説明する。図25(A)では、透光性基板880上に、遮光層831と、下地膜832とが設けられている。遮光層831上には、下地膜832を介して、第2のフォトダイオード802Bにおけるp型半導体領域883及びi型半導体領域884が設けられる。第2のフォトダイオード802Bにおけるp型半導体領域883及びi型半導体領域884を構成する半導体層と同じ層には、第1のトランジスタ804Bの半導体層を構成するn型半導体領域885及びi型半導体領域886が設けられる。同様に第2のフォトダイオード802Bにおけるp型半導体領域883及びi型半導体領域884を構成する半導体層と同じ層には、第2のトランジスタ805Bの半導体層を構成するn型半導体領域887及びi型半導体領域888が設けられる。同様に第2のフォトダイオード802Bにおけるp型半導体領域883及びi型半導体領域884を構成する半導体層と同じ層には、第3のトランジスタ803Aの半導体層を構成するn型半導体領域889が設けられる。 FIG. 25A will be described. In FIG. 25A, a light-blocking layer 831 and a base film 832 are provided over a light-transmitting substrate 880. A p-type semiconductor region 883 and an i-type semiconductor region 884 in the second photodiode 802B are provided over the light-blocking layer 831 with a base film 832 interposed therebetween. The n-type semiconductor region 885 and the i-type semiconductor region constituting the semiconductor layer of the first transistor 804B are formed in the same layer as the semiconductor layer constituting the p-type semiconductor region 883 and the i-type semiconductor region 884 in the second photodiode 802B. 886 is provided. Similarly, an n-type semiconductor region 887 and an i-type semiconductor layer constituting the semiconductor layer of the second transistor 805B are formed in the same layer as the semiconductor layer constituting the p-type semiconductor region 883 and the i-type semiconductor region 884 in the second photodiode 802B. A semiconductor region 888 is provided. Similarly, an n-type semiconductor region 889 constituting the semiconductor layer of the third transistor 803A is provided in the same layer as the semiconductor layer constituting the p-type semiconductor region 883 and the i-type semiconductor region 884 in the second photodiode 802B. .
なお透光性基板880は、可視光及び赤外光に対する透光性を有する材質の基板であることが好ましい。例えば可視光及び赤外光に対する透光性を有するプラスチック基板、可視光及び赤外光に対する透光性を有するガラス基板を用いることができる。 Note that the light-transmitting substrate 880 is preferably a substrate having a light-transmitting property with respect to visible light and infrared light. For example, a plastic substrate having a light-transmitting property with respect to visible light and infrared light, or a glass substrate having a light-transmitting property with respect to visible light and infrared light can be used.
なお遮光層831は、バックライトからの赤外光及び可視光が第1のフォトダイオード802A及び第2のフォトダイオード802Bに入射されるのを防止するためのものである。遮光層831は赤外光及び可視光が遮光可能なアルミニウム又はクロム等の金属材料を用いて、スパッタリング法、CVD法又は塗布法により形成され、次いでフォトリソグラフィ法、エッチング法を用いて加工して形成される。なお遮光層831は、第2のフォトダイオード802Bと積層する領域のみならず、トランジスタ803、トランジスタ804、トランジスタ805を構成する各トランジスタの半導体層と積層する領域にも設けることが望ましい。遮光膜により各トランジスタの半導体層が遮光されることで、バックライトからの赤外光及び可視光の入射によりトランジスタの閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされることを防ぐことができる。なおバックライトの構成としては、透光性基板880側より赤外光と可視光を発光することのできる光源を用いる構成であればよい。具体的にバックライトの構成は、赤外光を発光する発光ダイオード及び可視光を発光する発光ダイオードを並べて配置する構成とすればよい。 Note that the light-blocking layer 831 is for preventing infrared light and visible light from the backlight from entering the first photodiode 802A and the second photodiode 802B. The light-blocking layer 831 is formed by a sputtering method, a CVD method, or a coating method using a metal material such as aluminum or chromium that can block infrared light and visible light, and then processed by using a photolithography method and an etching method. It is formed. Note that the light-blocking layer 831 is preferably provided not only in a region stacked with the second photodiode 802B but also in a region stacked with a semiconductor layer of each transistor included in the transistors 803, 804, and 805. Since the semiconductor layer of each transistor is shielded by the light-shielding film, it is possible to prevent deterioration of characteristics such as shift of the threshold voltage of the transistor due to incidence of infrared light and visible light from the backlight. In addition, as a structure of a backlight, what is necessary is just a structure using the light source which can light-emit infrared light and visible light from the translucent board | substrate 880 side. Specifically, the backlight may have a structure in which a light emitting diode that emits infrared light and a light emitting diode that emits visible light are arranged side by side.
ここでバックライトは、光を検出するための可視光及び赤外光を第1のフォトダイオード802A及び第2のフォトダイオード802Bに入射するために透光性基板880側に設けられるものである。なお赤外光を発光する発光ダイオードは別途対向基板側に設けられる構成としてもよい。 Here, the backlight is provided on the light-transmitting substrate 880 side so that visible light and infrared light for detecting light are incident on the first photodiode 802A and the second photodiode 802B. Note that the light-emitting diode that emits infrared light may be separately provided on the counter substrate side.
なお下地膜832は、透光性基板880に含まれるNaなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が第2のフォトダイオード802Bに拡散し、特性に悪影響を及ぼすのを防ぐ。下地膜832は、CVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン等の透光性及び絶縁性を有する材料を単層又は積層して形成する。なお下地膜832の表面は、平坦性が高いことが好ましい。第2のフォトダイオード802Bの半導体層を形成する際の形成不良を防止するためである。 Note that the base film 832 prevents alkali metal such as Na or alkaline earth metal contained in the light-transmitting substrate 880 from diffusing into the second photodiode 802B and adversely affecting the characteristics. The base film 832 is formed by a single layer or a stack of light-transmitting and insulating materials such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and silicon nitride oxide by a CVD method, a sputtering method, or the like. Note that the surface of the base film 832 preferably has high flatness. This is to prevent formation defects when the semiconductor layer of the second photodiode 802B is formed.
なお第2のフォトダイオード802Bの半導体層は、多結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いることができる。結晶性シリコンを有する半導体層で構成される第2のフォトダイオード802Bは、p型半導体領域883、i型半導体領域884及びn型半導体領域(図示せず)が透光性基板880に水平方向に設けられる。またトランジスタ803、トランジスタ804、トランジスタ805を構成する各トランジスタの半導体層も多結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いてn型半導体領域、i型半導体領域及びn型半導体領域が設けられる。第2のフォトダイオード802B及び各トランジスタの半導体層は、成膜された結晶性シリコンをフォトリソグラフィ法、エッチング法を用いて加工し、次いでp型又はn型の不純物領域をフォトリソグラフィ法によるマスクを形成した上でイオン注入法又はイオンドーピング法により形成する。 Note that crystalline semiconductor such as polycrystalline silicon can be used for a semiconductor layer of the second photodiode 802B. In the second photodiode 802B formed using a semiconductor layer including crystalline silicon, a p-type semiconductor region 883, an i-type semiconductor region 884, and an n-type semiconductor region (not shown) are arranged in a horizontal direction on the light-transmitting substrate 880. Provided. The semiconductor layers of the transistors included in the transistors 803, 804, and 805 are also provided with an n-type semiconductor region, an i-type semiconductor region, and an n-type semiconductor region using crystalline silicon such as polycrystalline silicon. For the second photodiode 802B and the semiconductor layer of each transistor, the formed crystalline silicon is processed by photolithography and etching, and then a p-type or n-type impurity region is masked by photolithography. After forming, it is formed by ion implantation or ion doping.
なお第2のフォトダイオード802Bの半導体層は接合、剥離方法により単結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いることができる。まずシリコンウエハなどの半導体ウエハ中に、水素イオン(H+、H2 +、H3 +など)又は水素イオン及びヘリウムイオンを添加して、該半導体ウエハ中に脆化層を形成する。該半導体ウエハを下地膜832上に接合させ、加熱処理により脆化層で剥離して、下地膜832上に半導体層を形成する。半導体ウエハの表面から脆化層までの深さが半導体層の厚さに相当するので、水素イオン等の添加条件を制御して、半導体層の厚さを調整できる。 Note that the semiconductor layer of the second photodiode 802B can be formed using crystalline silicon such as single crystal silicon by a bonding or peeling method. First, hydrogen ions (such as H + , H 2 + , H 3 + ) or hydrogen ions and helium ions are added to a semiconductor wafer such as a silicon wafer to form an embrittlement layer in the semiconductor wafer. The semiconductor wafer is bonded to the base film 832 and separated from the embrittlement layer by heat treatment, so that a semiconductor layer is formed over the base film 832. Since the depth from the surface of the semiconductor wafer to the embrittlement layer corresponds to the thickness of the semiconductor layer, the thickness of the semiconductor layer can be adjusted by controlling the addition conditions such as hydrogen ions.
また図24、図25(A)において第2のフォトダイオード802Bにおける半導体層、第1のトランジスタ804Bの半導体層、第2のトランジスタ805Bの半導体層及び第3のトランジスタ803Aの半導体層上には、絶縁層810が設けられる。i型半導体領域886上には、絶縁層810を介して、転送制御線807及び電源線808と同層に形成されるゲート電極811が設けられる。i型半導体領域888上には、絶縁層810を介して、転送制御線807及び電源線808と同層に形成されるゲート電極812が設けられる。絶縁層810上には、転送制御線807と同層に形成される、電源線808が設けられる。 In FIGS. 24 and 25A, the semiconductor layer of the second photodiode 802B, the semiconductor layer of the first transistor 804B, the semiconductor layer of the second transistor 805B, and the semiconductor layer of the third transistor 803A are An insulating layer 810 is provided. A gate electrode 811 formed in the same layer as the transfer control line 807 and the power supply line 808 is provided over the i-type semiconductor region 886 with an insulating layer 810 interposed therebetween. A gate electrode 812 formed in the same layer as the transfer control line 807 and the power supply line 808 is provided over the i-type semiconductor region 888 with an insulating layer 810 interposed therebetween. On the insulating layer 810, a power supply line 808 formed in the same layer as the transfer control line 807 is provided.
なお絶縁層810は、外部よりNaなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が第2のフォトダイオード802B中に拡散し、特性に悪影響を及ぼすのを防ぐ。絶縁層810は、プラズマCVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を単層又は積層して形成する。 Note that the insulating layer 810 prevents an alkali metal such as Na or an alkaline earth metal from diffusing into the second photodiode 802B from the outside and adversely affecting the characteristics. The insulating layer 810 is formed using a single layer or a stacked layer of a light-transmitting and insulating material such as a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, or an organic resin film by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. To form.
なおゲート電極811及びゲート電極812と同層に形成される各種配線は、導電性を有する金属材料を用いて形成すればよい。導電性を有する金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層又は積層で形成する。スパッタリング法又は真空蒸着法を用いて形成する。 Note that various wirings formed in the same layer as the gate electrode 811 and the gate electrode 812 may be formed using a conductive metal material. As a conductive metal material, a metal layer such as molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, neodymium, scandium, or an alloy material containing these as a main component is used to form a single layer or a stacked layer. To do. It is formed using a sputtering method or a vacuum evaporation method.
また図24、図25(A)において絶縁層810、ゲート電極811、ゲート電極812及び電源線808上には、絶縁層813が設けられる。n型半導体領域885及びn型半導体領域887との間には、絶縁層810及び絶縁層813を介して、第1の出力信号線840A、第2の出力信号線840Bと同層に形成される導電層814が設けられる。n型半導体領域887上には、絶縁層810及び絶縁層813を介して、第2の出力信号線840Bが設けられる。n型半導体領域885及び電源線808との間には、絶縁層810及び絶縁層813を介して、第1の出力信号線840A、第2の出力信号線840Bと同層に形成される導電層815が設けられる。p型半導体領域883上には、絶縁層810及び絶縁層813を介して、第1の出力信号線840A、第2の出力信号線840Bと同層に形成される導電層816が設けられる。n型半導体領域889上には、絶縁層810及び絶縁層813を介して、第1の出力信号線840A、第2の出力信号線840Bと同層に形成される導電層817が設けられる。 In FIGS. 24 and 25A, an insulating layer 813 is provided over the insulating layer 810, the gate electrode 811, the gate electrode 812, and the power supply line 808. Between the n-type semiconductor region 885 and the n-type semiconductor region 887, the first output signal line 840A and the second output signal line 840B are formed in the same layer with the insulating layer 810 and the insulating layer 813 interposed therebetween. A conductive layer 814 is provided. A second output signal line 840B is provided over the n-type semiconductor region 887 with the insulating layer 810 and the insulating layer 813 interposed therebetween. Between the n-type semiconductor region 885 and the power supply line 808, a conductive layer formed in the same layer as the first output signal line 840A and the second output signal line 840B with the insulating layer 810 and the insulating layer 813 interposed therebetween. 815 is provided. Over the p-type semiconductor region 883, a conductive layer 816 formed in the same layer as the first output signal line 840A and the second output signal line 840B is provided with the insulating layer 810 and the insulating layer 813 interposed therebetween. A conductive layer 817 formed in the same layer as the first output signal line 840A and the second output signal line 840B is provided over the n-type semiconductor region 889 with the insulating layer 810 and the insulating layer 813 interposed therebetween.
なお絶縁層813は、プラズマCVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を単層又は積層して形成する。 Note that the insulating layer 813 is formed using a single layer or a light-transmitting and insulating material such as a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, or an organic resin film by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. It is formed by stacking.
なお導電層814乃至導電層817は、スパッタリング法又は真空蒸着法を用いて、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、イットリウムなどの金属、これらを主成分とする合金材料、又は酸化インジウム等の導電性を有する金属酸化物等の材料を単層又は積層で形成する。 Note that the conductive layers 814 to 817 are formed by a sputtering method or a vacuum evaporation method using a metal such as molybdenum, titanium, chromium, tantalum, tungsten, aluminum, copper, or yttrium, an alloy material containing these as a main component, or an oxide. A material such as a conductive metal oxide such as indium is formed in a single layer or a stacked layer.
また図25(A)において絶縁層813及び導電層816上には、第1のフォトダイオード802Aにおけるp型半導体領域818、i型半導体領域819及びn型半導体領域820が設けられる。なお第1のフォトダイオード802Aにおけるp型半導体領域818は、導電層816と端部が乗り上げるように積層して設けられる。 In FIG. 25A, a p-type semiconductor region 818, an i-type semiconductor region 819, and an n-type semiconductor region 820 in the first photodiode 802A are provided over the insulating layer 813 and the conductive layer 816. Note that the p-type semiconductor region 818 in the first photodiode 802 </ b> A is provided so as to overlap with the conductive layer 816 and the end portion.
なお第1のフォトダイオード802Aの半導体層は、非晶質シリコンを用いることができる。非晶質シリコンを有する半導体層で構成される第1のフォトダイオード802Aは、p型半導体領域818、i型半導体領域819及びn型半導体領域820が透光性基板880に垂直方向に積層して設けられる。 Note that amorphous semiconductor can be used for a semiconductor layer of the first photodiode 802A. In the first photodiode 802A including a semiconductor layer including amorphous silicon, a p-type semiconductor region 818, an i-type semiconductor region 819, and an n-type semiconductor region 820 are stacked in a direction perpendicular to the light-transmitting substrate 880. Provided.
p型半導体領域818はp型を付与する不純物元素を含む非晶質シリコンにより形成される。p型半導体領域818の形成には13族の不純物元素(例えばボロン(B))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH4)を用いればよい。又は、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等を用いてもよい。p型半導体領域818の膜厚は10nm以上50nm以下となるよう形成することが好ましい。 The p-type semiconductor region 818 is formed using amorphous silicon containing an impurity element imparting p-type conductivity. The p-type semiconductor region 818 is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas containing a Group 13 impurity element (eg, boron (B)). Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. The p-type semiconductor region 818 is preferably formed to have a thickness of 10 nm to 50 nm.
i型半導体領域819は、非晶質シリコンにより形成される。i型半導体領域819の形成には半導体材料ガスを用いて、非晶質シリコンをプラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン(SiH4)を用いればよい。又は、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等を用いてもよい。i型半導体領域819の膜厚は880nm以上8000nm以下となるように形成することが好ましい。 The i-type semiconductor region 819 is formed of amorphous silicon. For the formation of the i-type semiconductor region 819, amorphous silicon is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas. Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. The i-type semiconductor region 819 is preferably formed to have a thickness of 880 nm to 8000 nm.
n型半導体領域820は、n型を付与する不純物元素を含む非晶質シリコンにより形成する。n型半導体領域820の形成には、15族の不純物元素(例えばリン(P))を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマCVD法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン(SiH4)を用いればよい。又は、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等を用いてもよい。n型半導体領域820の膜厚は20nm以上880nm以下となるよう形成することが好ましい。 The n-type semiconductor region 820 is formed using amorphous silicon containing an impurity element imparting n-type conductivity. The n-type semiconductor region 820 is formed by a plasma CVD method using a semiconductor material gas containing a Group 15 impurity element (for example, phosphorus (P)). Silane (SiH 4 ) may be used as the semiconductor material gas. Alternatively, Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 , SiHCl 3 , SiCl 4 , SiF 4, or the like may be used. The n-type semiconductor region 820 is preferably formed to have a thickness of 20 nm to 880 nm.
また図25(A)において第1のフォトダイオード802A、第2の出力信号線840B、導電層814、導電層815、導電層816及び導電層817上には、絶縁層821が設けられる。n型半導体領域820及び導電層817との間には、絶縁層821を介して、画素電極となる導電層と同層に形成される導電層822が設けられる。 In FIG. 25A, an insulating layer 821 is provided over the first photodiode 802A, the second output signal line 840B, the conductive layer 814, the conductive layer 815, the conductive layer 816, and the conductive layer 817. Between the n-type semiconductor region 820 and the conductive layer 817, a conductive layer 822 formed in the same layer as the conductive layer to be a pixel electrode is provided with an insulating layer 821 interposed therebetween.
なお絶縁層821は、プラズマCVD法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜又は窒化酸化シリコン膜や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を単層又は積層して形成する。なお絶縁層821は、表面に平坦性を有する絶縁層とすることが好ましい。 Note that the insulating layer 821 is formed using a single layer or a light-transmitting and insulating material such as a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, or an organic resin film by a plasma CVD method, a sputtering method, or the like. It is formed by stacking. Note that the insulating layer 821 is preferably an insulating layer having a flat surface.
なお導電層822は、透光性を有する導電層であればよく、インジウム錫酸化物(ITO、Indium Tin Oxide)、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物(ITSO)、酸化インジウム酸化亜鉛(Indium Zinc Oxide)などの材料を用いて形成する。 Note that the conductive layer 822 may be a light-transmitting conductive layer, such as indium tin oxide (ITO), indium tin oxide containing silicon oxide (ITSO), or indium zinc oxide (Indium Zinc Oxide). ) Or the like.
次いで図25(B)について説明する。図25(B)に示す断面図において透光性基板880上に、遮光層831と、下地膜832とが設けられる。遮光層831上には、下地膜832を介して、第2のフォトダイオード802Bにおけるp型半導体領域883、i型半導体領域884及びn型半導体領域823が設けられる。 Next, FIG. 25B will be described. In the cross-sectional view in FIG. 25B, a light-blocking layer 831 and a base film 832 are provided over a light-transmitting substrate 880. A p-type semiconductor region 883, an i-type semiconductor region 884, and an n-type semiconductor region 823 in the second photodiode 802B are provided over the light-blocking layer 831 with a base film 832 interposed therebetween.
また図25(B)において第2のフォトダイオード802Bにおける半導体層上には、絶縁層810が設けられる。絶縁層810上には、転送制御線807と同層に形成される、電源線808が設けられる。 In FIG. 25B, an insulating layer 810 is provided over the semiconductor layer in the second photodiode 802B. On the insulating layer 810, a power supply line 808 formed in the same layer as the transfer control line 807 is provided.
また図24、図25(B)において絶縁層810及び電源線808上には、絶縁層813が設けられる。p型半導体領域883上には、絶縁層810及び絶縁層813を介して、第1の出力信号線840A、第2の出力信号線840Bと同層に形成される導電層816が設けられる。n型半導体領域823上には、絶縁層810及び絶縁層813を介して、第1の出力信号線840A、第2の出力信号線840Bと同層に形成される導電層824が設けられる。 In FIGS. 24 and 25B, an insulating layer 813 is provided over the insulating layer 810 and the power supply line 808. Over the p-type semiconductor region 883, a conductive layer 816 formed in the same layer as the first output signal line 840A and the second output signal line 840B is provided with the insulating layer 810 and the insulating layer 813 interposed therebetween. A conductive layer 824 formed in the same layer as the first output signal line 840A and the second output signal line 840B is provided over the n-type semiconductor region 823 with the insulating layer 810 and the insulating layer 813 interposed therebetween.
また図25(B)において絶縁層813及び導電層816上には、第1のフォトダイオード802Aにおけるp型半導体領域818、i型半導体領域819及びn型半導体領域820が設けられる。なお第1のフォトダイオード802Aにおけるp型半導体領域818は、導電層816と端部が乗り上げるように積層して設けられる。 In FIG. 25B, the p-type semiconductor region 818, the i-type semiconductor region 819, and the n-type semiconductor region 820 in the first photodiode 802A are provided over the insulating layer 813 and the conductive layer 816. Note that the p-type semiconductor region 818 in the first photodiode 802 </ b> A is provided so as to overlap with the conductive layer 816 and the end portion.
また図25(B)に示す断面図において第1のフォトダイオード802A、導電層816、導電層824上には、絶縁層821が設けられる。 In addition, an insulating layer 821 is provided over the first photodiode 802A, the conductive layer 816, and the conductive layer 824 in the cross-sectional view shown in FIG.
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。 Note that this embodiment can be combined with any of the other embodiments described in this specification as appropriate.
1 発信番号
2 発信番号
3 発信番号
11 信号線
12 信号線
13 信号線
14 ノード
15 信号線
16 信号線
17 信号線
18 ノード
100 動作認識装置
101 撮像装置
102 画像処理装置
103 情報処理装置
104 撮像データ
105 出力データ
110 画像記憶部
111 記憶部
112 記憶部
113 記憶部
114 記憶部
115 物体データ検出部
116 動作データ検出部
117 出力制御部
210 導電膜
211 導電膜
212 導電膜
213 導電膜
214 導電膜
215 半導体膜
216 半導体膜
217 半導体膜
218 導電膜
219 導電膜
220 導電膜
221 導電膜
222 導電膜
223 導電膜
224 導電膜
225 導電膜
226 導電膜
227 導電膜
228 ゲート絶縁膜
250 半導体層
251 基板
281 絶縁膜
282 絶縁膜
400 フォトセンサ
401 回路
402 フォトダイオード
403 トランジスタ
404 トランジスタ
405 トランジスタ
406 トランジスタ
501 パルス
502 パルス
601 パルス
602 パルス
700 フォトセンサ
702 フォトダイオード
703 トランジスタ
704 トランジスタ
705 トランジスタ
800 フォトセンサ
800A フォトセンサ
800B フォトセンサ
802 フォトダイオード
802A フォトダイオード
802B フォトダイオード
803 トランジスタ
803A トランジスタ
803B トランジスタ
804 トランジスタ
804A トランジスタ
804B トランジスタ
805 トランジスタ
805A トランジスタ
805B トランジスタ
807 転送制御線
808 電源線
810 絶縁層
811 ゲート電極
812 ゲート電極
813 絶縁層
814 導電層
815 導電層
816 導電層
817 導電層
818 p型半導体領域
819 i型半導体領域
820 n型半導体領域
821 絶縁層
822 導電層
823 n型半導体領域
824 導電層
831 遮光層
832 下地膜
840A 出力信号線
840B 出力信号線
880 透光性基板
883 p型半導体領域
884 i型半導体領域
885 n型半導体領域
886 i型半導体領域
887 n型半導体領域
888 i型半導体領域
889 n型半導体領域
901 パルス
902 パルス
5000 携帯電話機
5001 スピーカー
5002 筐体
5003 表示部
5004 操作ボタン
5005 認識範囲
6000 IHクッキングヒーター
6001 表示部
6001a 表示部
6001b 表示部
6001c 表示部
6002a IHヒーター
6002b IHヒーター
6002c IHヒーター
6003 プレート
6004 電源ランプ
6005 操作ボタン
6006 排気口
6007a 認識範囲
6007b 認識範囲
6007c 認識範囲
7000 電子レンジ
7001 表示部
7002 操作ボタン
7003 窓
7004 開閉扉の取っ手
7005 筐体
7006 開閉扉
7007 認識範囲
7008 電源ランプ
7010 絶縁膜
7020 半導体膜
7030 半導体膜
7040 フォトダイオード
7050 nチャネル型トランジスタ
7060 基板
7070 ゲート電極
7080 絶縁膜
7110 配線
7120 絶縁膜
7130 ゲート電極
7140 ゲート絶縁膜
7150 酸化物半導体層
7160 導電膜
7170 導電膜
7180 導電膜
7190 導電膜
7200 導電膜
7210 導電膜
7220 絶縁膜
7240 トランジスタ
7240a トランジスタ
7240b トランジスタ
7240c トランジスタ
7240d トランジスタ
7270 領域
7280 領域
7290 領域
7300 ゲート電極
7310 ゲート絶縁膜
7320 酸化物半導体層
7330 チャネル保護膜
7340 導電膜
7350 導電膜
7360 絶縁膜
7410 ゲート電極
7420 ゲート絶縁膜
7430 導電膜
7440 導電膜
7450 酸化物半導体層
7460 絶縁膜
7510 ゲート電極
7520 ゲート絶縁膜
7530 導電膜
7540 導電膜
7550 酸化物半導体層
7560 絶縁膜
7610 ゲート電極
7620 ゲート絶縁膜
7630 導電膜
7640 導電膜
7650 酸化物半導体層
7660 絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission number 2 Transmission number 3 Transmission number 11 Signal line 12 Signal line 13 Signal line 14 Node 15 Signal line 16 Signal line 17 Signal line 18 Node 100 Motion recognition apparatus 101 Imaging apparatus 102 Image processing apparatus 103 Information processing apparatus 104 Imaging data 105 Output data 110 Image storage unit 111 Storage unit 112 Storage unit 113 Storage unit 114 Storage unit 115 Object data detection unit 116 Operation data detection unit 117 Output control unit 210 Conductive film 211 Conductive film 212 Conductive film 213 Conductive film 214 Conductive film 215 Semiconductor film 216 semiconductor film 217 semiconductor film 218 conductive film 219 conductive film 220 conductive film 221 conductive film 222 conductive film 223 conductive film 225 conductive film 226 conductive film 227 conductive film 228 gate insulating film 250 semiconductor layer 251 substrate 281 insulating film 282 insulating Film 400 photo Sensor 401 Circuit 402 Photodiode 403 Transistor 404 Transistor 405 Transistor 406 Transistor 501 Pulse 502 Pulse 601 Pulse 602 Pulse 700 Photo sensor 702 Photo diode 703 Transistor 704 Transistor 705 Transistor 800 Photo sensor 800A Photo sensor 800B Photo sensor 802 Photo diode 802A Photo diode 802B Photodiode 803 Transistor 803A Transistor 803B Transistor 804 Transistor 804A Transistor 804B Transistor 805 Transistor 805A Transistor 805B Transistor 807 Transfer control line 808 Power supply line 810 Insulating layer 811 Gate electrode 812 Gate electrode 813 Insulating layer 81 Conductive layer 815 Conductive layer 816 Conductive layer 817 Conductive layer 818 P-type semiconductor region 819 i-type semiconductor region 820 n-type semiconductor region 821 Insulating layer 822 Conductive layer 823 n-type semiconductor region 824 Conductive layer 831 Light shielding layer 832 Base film 840A Output signal line 840B Output signal line 880 Translucent substrate 883 p-type semiconductor region 884 i-type semiconductor region 885 n-type semiconductor region 886 i-type semiconductor region 887 n-type semiconductor region 888 i-type semiconductor region 889 n-type semiconductor region 901 pulse 902 pulse 5000 portable Telephone 5001 Speaker 5002 Case 5003 Display unit 5004 Operation button 5005 Recognition range 6000 IH cooking heater 6001 Display unit 6001a Display unit 6001b Display unit 6001c Display unit 6002a IH heater 6002b IH heater 6002c IH heater 6003 Plate 6004 Power lamp 6005 Operation button 6006 Exhaust port 6007a Recognition range 6007b Recognition range 6007c Recognition range 7000 Microwave oven 7001 Display 7002 Operation button 7003 Window 7004 Open / close door handle 7005 Housing 7006 Open / close door 7007 Recognition range 7008 Power lamp 7010 Insulating film 7020 Semiconductor film 7030 Semiconductor film 7040 Photodiode 7050 N-channel transistor 7060 Substrate 7070 Gate electrode 7080 Insulating film 7110 Wiring 7120 Insulating film 7130 Gate electrode 7140 Gate insulating film 7150 Oxide semiconductor layer 7160 Conductive film 7170 Conductive film 7180 Conductive Film 7190 conductive film 7200 conductive film 7210 conductive film 7220 insulating film 7240 transistor 7240a transistor Transistor 7240b transistor 7240c transistor 7240d transistor 7270 region 7280 region 7290 region 7300 gate electrode 7310 gate insulating film 7320 oxide semiconductor layer 7330 channel protective film 7340 conductive film 7350 conductive film 7360 insulating film 7410 gate electrode 7420 gate insulating film 7430 conductive film 7440 conductive Film 7450 oxide semiconductor layer 7460 insulating film 7510 gate electrode 7520 gate insulating film 7530 conductive film 7540 conductive film 7550 conductive film 7550 oxide semiconductor layer 7560 insulating film 7610 gate electrode 7620 gate insulating film 7630 conductive film 7640 conductive film 7650 oxide semiconductor layer 7660 insulating film
Claims (2)
前記撮像装置は、被検出物の距離画像情報を取得し、且つ、前記距離画像情報から、撮像データを生成し、前記撮像データを出力し、
前記画像処理装置は、
特定物体パターンを格納する第1の記憶部と、
特定動作パターンを格納する第2の記憶部と、
時間の経過と共に変化する前記撮像データを格納する画像記憶部と、
前記画像記憶部に格納した前記撮像データの中から、前記被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの前記撮像データを抽出し、且つ、抽出した前記撮像データと前記特定物体パターンとを比較して、各時刻での最も一致する物体データを選出する物体データ検出部と、
前記各時刻での前記物体データを格納する第3の記憶部と、
前記第3の記憶部に格納した前記被検出物の動作開始時刻から動作終了時刻までの前記物体データと、前記特定動作パターンとを比較して、動作データを推定する動作データ検出部と、前記動作データを格納する第4の記憶部と、
前記動作データから出力データを生成し、前記出力データを出力する出力制御部と、
を有し、
前記情報処理装置は、前記出力データに基づいて前記被検出物の動作を認識し、且つ前記出力データに基づいて定義された操作を実行し、
前記撮像装置は、
光源から前記被検出物に対して第1の光の照射を開始し、
前記第1の光が前記被検出物に反射した第1の反射光が前記撮像装置に入射し始め、
前記光源から前記被検出物に対する前記第1の光の照射を終了し、
前記第1の反射光の前記撮像装置への入射が終了し、
第1の検出信号を取得し、
前記光源から前記被検出物に対して第2の光の照射を開始し、
前記第2の光が前記被検出物に反射した第2の反射光が前記撮像装置に入射し始め、
前記光源から前記被検出物に対する前記第2の光の照射を終了し、
前記第2の反射光の前記撮像装置への入射が終了し、
第2の検出信号を取得することを順に行い、
前記第1の検出信号は、前記第1の反射光が前記撮像装置に入射し始めてから前記光源から前記被検出物に対する前記第1の光の照射を終了するまでの期間において、フォトダイオードに入射した前記第1の反射光の量に応じており、
前記第2の検出信号は、前記光源から前記被検出物に対する前記第2の光の照射を終了してから前記第2の反射光の前記撮像装置への入射が終了するまでの期間において、前記フォトダイオードに入射した前記第2の反射光の量に応じており、
前記光源から前記被検出物までの距離は、前記第1の検出信号及び前記第2の検出信号を用いて算出されることを特徴とする動作認識装置。 An imaging device, an image processing device, and an information processing device;
The imaging device acquires distance image information of an object to be detected, generates imaging data from the distance image information, and outputs the imaging data ;
The image processing apparatus includes:
A first storage unit for storing the specific object pattern;
A second storage unit for storing the specific operation pattern;
An image storage unit that stores the imaging data that changes over time;
Extracting the imaging data from the operation start time to the operation end time of the detected object from the imaging data stored in the image storage unit, and comparing the extracted imaging data with the specific object pattern An object data detection unit that selects the most consistent object data at each time;
A third storage unit for storing the object data at each time;
A motion data detector that estimates motion data by comparing the object data from the motion start time to the motion end time of the detected object stored in the third storage unit with the specific motion pattern; A fourth storage unit for storing operation data;
An output control unit that generates output data from the operation data and outputs the output data ;
Have
The information processing apparatus recognizes an operation of the detected object based on the output data, and executes an operation defined based on the output data ;
The imaging device
Start irradiation of the first light from the light source to the detected object,
The first reflected light reflected by the object to be detected begins to enter the imaging device;
Ending irradiation of the first light from the light source to the object to be detected;
Incident of the first reflected light to the imaging device is terminated,
Obtaining a first detection signal;
Starting irradiation of the second light from the light source to the object to be detected;
Second reflected light reflected by the object to be detected is incident on the imaging device,
Ending the irradiation of the second light from the light source to the detected object,
Incident of the second reflected light to the imaging device is terminated,
Sequentially obtaining the second detection signal;
The first detection signal is incident on the photodiode during a period from when the first reflected light starts to enter the imaging device to when the irradiation of the first light from the light source to the detected object is completed. According to the amount of the first reflected light,
The second detection signal is a period from the end of the irradiation of the second light to the detected object from the light source to the end of incidence of the second reflected light on the imaging device. Depending on the amount of the second reflected light incident on the photodiode;
A distance from the light source to the object to be detected is calculated using the first detection signal and the second detection signal .
前記フォトダイオードは、チャネル形成領域が酸化物半導体を有するトランジスタと電気的に接続されていることを特徴とする動作認識装置。The operation recognition device, wherein the photodiode has a channel formation region electrically connected to a transistor including an oxide semiconductor.
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